虽然激光加工现在已经广泛参与到汽车生产中，并且树立了其良好的地位，然而每年持续不断开发出的新激光技术，正在让汽车这一HTH登陆入口网页 的核心市场领域进一步受益。激光及其衍生的一些技术，例如金属 3D 打印和一些轻质材料（如塑料等）的焊接技术，正在让汽车制造商们可以针对性地对其生产的零件进行调整，或者考虑采用新的结构设计。同样地，如何优化当前汽车工业中使用的生产工艺和零件对从业者们来说是非常重要的，这也是当前正值开发过程的许多新的表面处理技术正在寻求解决的问题。
制作耐磨热冲压工具
Felix Spranger 和他在德国联邦材料研究与测试学院（BAM）焊接技术系的同事分享了他们使用激光表面处理来解决热冲压模具在汽车生产中使用时的持续性问题。通过热冲压，可以使高强度钢板（通常是 22MnB5 硼锰钢）被制成具有高刚度和低重量的组件。近年来，该技术已越来越多地被汽车 OEM 制造商应用于生产车辆的车身结构中的轻型组件上。
为了确保腐蚀防护同时避免形成氧化皮，所用于加工的钢板均涂有 Al-Si 层。然而，根据 Spranger 的说法，为了让这种涂层有效地形成，需要把钢加热到 800℃以上，所以这很可能会导致所用成型工具上的大量粘合剂磨损，除了会大大降低了钢板的使用寿命以外，还会降低使用它们所制成的零件的涂层质量。
他继续说，“因此，热冲压模具的返工会需要花费大量时间和成本。制造业必须想办法避免这种情况，因为在传统的冲压车间中，这是一个非常主要的问题。”
研究人员们计划使用一种称为激光植入的技术来解决这个问题，该技术主要为——使用脉冲激光在表面内使表面局部分散出钛化合物（例如 TiN，TiC，TiB2 等钛化合物制成）的硬陶瓷颗粒，来产生微结构从而表现出耐磨性能。通过使用激光植入技术，就可以在冲压工具的表面上产生圆顶状的微结构，尤其当使用 TiB2 颗粒时，可以提供高达1600维氏的硬度值。根据 Spranger 的研究，这些微结构已被证明在减少成形工具的磨损方面非常有效。
图 1. 激光植入工艺原理（来源：BAM）
他评论说：“通过采用合适的激光植入表面纹理，我们能够改善冲压过程中的摩擦性能，因为我们可以把工具和板材之间的材料接触控制在这些离散点上。所以由于高硬度的工具表面，让磨料减少了磨损，从而使金属成型过程更加经济。”
图 2. 在热压条件下进行测试之前和之后以及植入工具和常规工具的比较。（来源：BAM）
图 3. 在 AISI D2 工具钢上制造的一个圆顶形 TiB2 植入物的横截面（来源：BAM）
激光植入是一项特别的技术创新，通常是将两种截然不同的用于表面处理的方法（表面纹理化和材料优化）结合到一个处理步骤中。“这也是我们在这里研究出的新发现——同时具有纹理和耐磨性能，”Spranger 说。“我们已经在BAM 开发了这项技术四年了，目前是该领域唯一的研究机构。我们与 Friedrich-Alexander 大学的厄兰根 - 纽伦堡制造技术研究所的同事们一起，由于对改善冲压过程中摩擦性能的强烈意愿，我们正在全面地开发该技术以更好地用于热冲压模具。对于汽车行业中成型工具的用户，我们看到了应用此项技术的巨大潜力。”
为了实现该过程，研究人员将通常小于 10 µm 的硬质陶瓷颗粒喷涂到工具表面。然后，他们使用 IPG 的脉冲光纤激光器将粒子局部分散，以 1.5-15ms 的脉冲持续时间，60-180W 的脉冲功率和 100 µm 左右的光斑直径工作。Spranger说：“有了这些激光参数，我们就可以创建各种表面纹理，例如圆顶形或环形结构。”
使用激光植入可以产生多种表面纹理，这也让该技术可以适用于除改进成型工具以外的其他应用。例如，用激光植入创建的环形结构可被用于涉及润滑剂的机械应用中，因为润滑剂可存储在环的凹口中，随后可去除接触点之间的任何磨损碎屑。Spranger 确认：“我们可以在覆盖广泛的应用上使用此技术，除了成型工具，我们还希望能够帮助其他复杂一系列的工具，例如切削工具和齿轮。”
Spranger 及其同事计划将在未来几年内将其项目扩展到工业中。“目前我们没有任何工业合作伙伴，但是我们将寻找一些合作伙伴参与到未来的进程中。”他总结表示，“我们既在寻找可以引入该技术进入行业的激光公司，也在寻找终端用户，尤其是那些在可以切切实实应用该技术的汽车行业中的终端用户。”
刹车的磨损
比起许多其他汽车零件来，制动盘要承受更多的反复的机械载荷。这导致它们产生细小的颗粒物质，从而可能引起环境问题。为了帮助显着减少此类颗粒的产生和影响，弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和亚琛工业大学共同致力于制动盘的新涂层工艺。
传统的制动盘通常由含有层状石墨相的灰口铸铁制成。这种材料的优点在于其良好的导热性和较高的热容量，和这些材料相对较低的价格成本。但是，在使用过程中，它也很容易腐蚀和造成大量材料磨损，从而导致大量细颗粒物的排放。
被称为“极速激光材料沉积” （或德语首字母缩写为“EHLA”）的全新涂层工艺，能够为制动盘提供有效的抗磨损和抗腐蚀保护，同时使加工过程更加快速经济。
“使用 EHLA 之后，我们涂覆的涂层可以与光盘的基材形成冶金结合，因此可以非常牢固地附着在制动盘上，并且不会剥落和剥落。”Fraunhofer ILT 团队负责人、新流程的创建者之一 Thomas Schopphoven 表示。
在此过程中，涂料的粉末颗粒直接在激光束中熔化，而不是在部件表面的熔池中熔化——这是激光材料沉积（LMD）的标准。因为现在熔池由材料的液滴而不是粉末的固体颗粒进料，所以涂覆过程可以更快，可以从传统 LMD 的每分钟 0.5-2m 上升到 EHLA 的每分钟 500m。Schopphoven 补充说：“这也减少了被涂材料的高温浸润。”EHLA 与传统的 LMD 不同的是，在传统的 LMD 中，热影响区的深度可以达到一个或多个毫米，而 EHLA 工艺的高温浸润仍保持在微米范围内。这样就可以让使用新的材料组合成为可能，例如铝涂层或与制动盘一样的铸铁合金。”
图 4. 涂有 EHLA 工艺的成品制动盘（来源：Buderus Schleiftechnik /HPL Technologies）
低热量输入可防止碳从制动盘溶解到熔体中，从而避免在涂层和粘结区产生脆性相，气孔、连接缺陷和裂纹。Schopphoven 讲到：“现在，是有史以来第一次可以提供由灰口铸铁制成的制动盘，该制动盘具有与基础材料牢固结合的有效涂层。此外，EHLA 工艺可以使用多达 90% 的粉末原料。因此，它非常节省资源，并且更加经济。可以达到在工业化，批量生产环境中的要求。”
实际上，Schopphoven 认为 EHLA 的工业应用很快将成为现实。他说：“初步调查表明，EHLA 工艺能够可靠地生产传统由灰铸铁制成的制动盘的不同材料组合的涂层。亚琛目前正在建设一种可用于批量生产的系统，其中包括用于改进精加工零件的磨削工艺。”
改善功率器件生产
功率设备是一种负责根据负载需求精确控制从电源到负载的电能的组件。从现代机械和电动汽车的电动发动机控制到转换器以及超紧凑型移动电源装置，功率设备无处不在。
随着电动汽车在汽车市场中的地位日益凸显，大众汽车等制造商们现在也已开始着手生产电动汽车，并计划使电动汽车在市场中更加普及，所以据此预计，用于电动发动机控制的动力装置的需求将不断增长。
此类功率器件使用碳化硅（SiC）晶圆制成，并设计为可以在高电流，高电压和高温下工作。 为方便起见，通常在其背面涂有一层金属，通常是镍（Ni），目前正通过被称为欧姆接触形成（OCF）的工艺将其连接在一起，以确保金属层与半导体材料之间的较低的电阻。
图 5. 3D-Micromac 的欧姆接触形成工艺设备：microPRO RTPsystem。
面临的挑战是，发生 OCF 时，SiC 晶片的正面已经完全结构化，因此 SiC 晶片对高温非常敏感。在 OCF 期间，需要约 1000℃的温度才能将镍连接到 SiC（形成硅化镍），因此，为了避免损坏晶片的正面，通常使用闪光连接工艺（flashlumps）。 通过一次闪光，可以在它们正面达到临界温度之前，将通常在 0.5J/cm 2 -4J/cm 2 的范围内足够量的能量传输到晶圆的背面。
根据 3D-Micromac 半导体行业产品经理 Hans-UlrichZuehlke 博士的说法，解决此问题的一种解决方案是用选择性激光退火工艺代替闪光连接工艺，在该工艺中，晶片的背面将改为使用脉冲辐照的纳秒级紫外线激光。他解释说：“持续时间少于 100ns 的激光脉冲已经足够长，足以形成足够的硅化物，然而持续时间又足够短，所以可以最大程度地减少向晶圆正面的热传导。”
使用激光退火的另一个好处是，它避免了 OCF 期间在硅化镍层正下方产生大的碳团簇（与使用闪光灯时一样），众所周知，碳团簇导致晶片上金属层的附着力下降。
3D-Micromac 公司已开发出一种专用于生产条件下的OCF 工艺的激光系统。该系统名为“microPRO RTP”，是基于该公司开发的“microDICE”晶圆处理平台而制成的，配备了二极管泵浦固态（DPSS）紫外激光器。Zuehlke 表示：“光束路径针对紫外激光器进行了优化，与聚焦跟踪相结合之后，可提供足够的聚焦深度。”
microPRO RTP 系统提供两种不同的光路。“由于大量的脉冲重叠，”祖尔克继续说道：“在高斯光束剖面中获得了正确的能量。然后，几个脉冲在温度 - 时间曲线中可以合并为一个虚拟平台，另外，也可以使用在低重叠顶帽轮廓上。”通过使用 DPSS 激光器，可以通过减少维护工作量来确保系统的正常运行时间，同时还降低了运营成本。该系统还包含一个可用于与半导体工厂的 IT 基础架构耦合的接口。
“毫无疑问，microPRO RTP 已经为下一代 SiC 晶圆设计”。Zuehlke 总结道。
总结
在新能源汽车进入“快速发展”时期之后，可以预见的是，以激光技术为代表的先进制造技术在不断推动汽车制造业更新换代的同时，也将推动激光产业自身的快速发展。未
来，越来越多的技术将不断涌现并配合汽车及新能源汽车的技术发展，我们也期待着更多企业和研究人员配合起来，给行业带来更多创造性的革新。
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