新一代缸內(nèi)直噴技術(shù)是汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的主流技術(shù)。它通過噴油器將燃油準(zhǔn)確噴入氣缸，并與進(jìn)氣充分混合，充分發(fā)揮每一滴燃油的作用。

從下圖可以看出，噴油器上分布著微孔，其直徑小于150微米。孔徑、表面粗糙度、位置、形狀等都會直接影響噴油器的性能，因此有嚴(yán)格的加工要求。同時，為了達(dá)到成本效益，要求每個微孔的加工時間控制在幾秒內(nèi)。

所以問題是噴油器微孔的加工要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔技術(shù)的能力。用什么工藝來精確加工這些微孔？

傳統(tǒng)加工方法VS創(chuàng)新微孔加工技術(shù)

目前常用的噴油器微孔加工方法主要有機(jī)械鉆孔、電火花加工和飛秒激光加工。

機(jī)械鉆孔的成本最高。由于鉆小孔的刀具價格昂貴，加工過程中易磨損，刀具存在斷裂風(fēng)險，直接影響微孔加工的一致性和產(chǎn)品良率，耗材成本高。

電火花加工雖然在尺寸上比機(jī)械鉆孔靈活一點(diǎn)，但加工效率低，表面粗糙度也不理想。尤其是加工表面會有重熔層。同時還要考慮電極成本和工藝的穩(wěn)定性。

但飛秒激光在加工過程中不會產(chǎn)生熱量，飛秒激光加工的微孔沒有重熔層和毛刺，可以獲得更清晰的鋒利邊緣和更好的表面質(zhì)量，從而延長噴嘴壽命。

以直徑150μm、深度0.5mm的孔為例，對比EDM和飛秒激光的加工結(jié)果

左圖為電火花加工的微孔，右圖為飛秒激光加工的微孔

值得一提的是，我們對激光加工并不陌生。那么，我們經(jīng)常聽到的飛秒激光和納秒激光、皮秒激光有什么區(qū)別呢？

我們先搞清楚時間單位換算

1ms =0.001s=10^-3s 

1μs=0.000001s=10^-6s?

1ns=0.0000000001s=10^-9s

1ps =0.0000000000001s=10^-12s

1fs =0.000000000000001s=10^-15s

如果我們了解時間單位，就會知道飛秒激光是一種極短脈沖的激光加工，只有它才能真正勝任高精度加工。

有納秒激光鉆孔、皮秒激光鉆孔和飛秒激光鉆孔

飛秒激光的工作原理

飛秒激光作用于金屬和非金屬加工時，原理完全不同。金屬表面有大量的自由電子。當(dāng)激光照射到金屬表面時，自由電子會瞬間被加熱，在幾十個飛行秒內(nèi)電子就會發(fā)生碰撞。自由電子將能量傳遞到晶格并形成空穴。但是，自由電子碰撞的能量遠(yuǎn)小于離子，因此傳導(dǎo)能量需要很長時間。不過，這個問題已經(jīng)被中國科學(xué)家解決了。

飛秒激光作用于非金屬材料時，由于材料表面的自由電子很少，因此在激光照射前，材料表面應(yīng)先電離，然后產(chǎn)生自由電子。其余環(huán)節(jié)與金屬材料一致。當(dāng)使用飛秒激光加工微孔時，在初始階段會形成一個小坑。隨著脈沖數(shù)的增加，凹坑的深度增加。但隨著深度的增加，雜物飛出坑底的難度越來越大。結(jié)果，激光傳播到底部的能量越來越少，無法增加深度的飽和狀態(tài)，也就是說鉆了一個微孔。

新型飛秒激光技術(shù)的應(yīng)用

飛秒激光新技術(shù)的應(yīng)用才剛剛興起。主要應(yīng)用行業(yè)包括：半導(dǎo)體行業(yè)、太陽能行業(yè)（尤其是薄膜技術(shù)）、平面顯示行業(yè)、合金微鑄造、精密孔徑及電極結(jié)構(gòu)加工、航空難材料加工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域！

在中國制造2025的背景下，傳統(tǒng)工業(yè)制造業(yè)正面臨深刻變革。方向之一是提高效率，轉(zhuǎn)向附加值更高、技術(shù)壁壘更高的高端精密加工。激光加工完全符合這一主題。激光器和激光加工設(shè)備在消費(fèi)電子觸摸屏模組生產(chǎn)、半導(dǎo)體晶圓切割等高端3C制造領(lǐng)域嶄露頭角，在藍(lán)寶石加工、曲面玻璃、陶瓷生產(chǎn)等方面展現(xiàn)出新的應(yīng)用前景。

3C行業(yè)

作為超短脈沖激光的典型代表，飛秒激光具有超短脈沖寬度和超高峰值功率的特點(diǎn)。加工對象廣泛，特別適用于藍(lán)寶石、玻璃、陶瓷等脆性材料和熱敏材料的加工，因此適用于電子行業(yè)的微加工行業(yè)。

主要原因是去年以來指紋識別模塊在手機(jī)中的應(yīng)用，導(dǎo)致了飛秒激光器的采購。指紋模組涉及激光加工：①晶圓劃片，②芯片切割，③蓋板切割，④FPC軟板輪廓切割和鉆孔，⑤激光打標(biāo)等。其中主要加工藍(lán)寶石/玻璃蓋板和IC芯片。 Apple 6 從 2015 年開始正式使用指紋識別，推動了多個國產(chǎn)品牌的普及。目前指紋識別滲透率低于50%。因此，用于加工指紋識別模塊的激光機(jī)還有很大的發(fā)展空間。

同時，激光機(jī)還可用于PCB鉆孔、晶圓劃片切割等，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。尤其是未來隨著藍(lán)寶石、陶瓷等高附加值脆性材料在手機(jī)中的應(yīng)用，激光加工設(shè)備將成為3C自動化設(shè)備的重要組成部分。我們相信，未來飛秒激光將在3C自動化加工設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮廣泛而深遠(yuǎn)的作用。

飛機(jī)發(fā)動機(jī)

長期以來，我國發(fā)動機(jī)制造技術(shù)一直是制約航天事業(yè)發(fā)展的瓶頸。產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)主要體現(xiàn)在兩個方面：一是材料技術(shù)；二是材料加工技術(shù)。飛秒激光鉆孔解決了這個問題！

在航空航天領(lǐng)域，燃?xì)廨啓C(jī)是發(fā)動機(jī)三大關(guān)鍵部件之首，其性能直接決定發(fā)動機(jī)的好壞。然而，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的工作溫度至少為1400℃，因此高溫零件，尤其是葉片需要采用精確的冷卻技術(shù)。

葉片冷卻通常是通過大量不同直徑的薄膜孔來實現(xiàn)的?？讖郊s100～700μm，空間分布復(fù)雜。多為傾斜孔，角度為15°～90°。為了提高冷卻效率，孔的形狀常為扇形或矩形，給加工帶來很大難度。目前主流的方法是高速電火花加工，但工具電極制造難度極大，加工零件易磨損，加工速度慢，孔內(nèi)加工切屑難以去除，不容易散熱，不適合大批量生產(chǎn)。

此外，現(xiàn)代發(fā)動機(jī)葉片表面通常覆蓋一層熱障涂層，通常為陶瓷材料，傳統(tǒng)電火花加工無法加工，這是未來先進(jìn)發(fā)動機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著發(fā)動機(jī)葉片材料非金屬化的發(fā)展，電火花加工變得更加不可靠。飛秒激光加工具有適應(yīng)性廣、定位精度高、無機(jī)械變形、無直接接觸等諸多優(yōu)點(diǎn)。非常適合加工微孔。

醫(yī)療保健

目前，所有用于眼科屈光治療的飛秒激光應(yīng)該是飛秒技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中最成熟的設(shè)備之一。還有擴(kuò)張器、內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管加工等。

在醫(yī)療上，與長脈沖激光相比，飛秒激光能量高度集中，作用過程中幾乎沒有傳熱效應(yīng)，不會引起周圍環(huán)境溫度升高，這在激光的醫(yī)療應(yīng)用中非常重要。激光手術(shù)。一方面，幾度的溫升會在瞬間變成壓力波，傳遞到神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生疼痛。另一方面，它可能對生物組織造成致命的傷害。因此，飛秒激光可以實現(xiàn)無痛、無創(chuàng)的安全治療。

飛秒激光鉆孔技術(shù)的突破

飛秒激光打孔技術(shù)雖然有這樣的魔力，但其發(fā)展難度也很大，尤其是在系統(tǒng)集成和技術(shù)工程方面的努力，存在各種困難，輸出功率也有限。此外，如何形成一套完整的微孔加工產(chǎn)業(yè)也是一個世界性難題。但是通過中國科學(xué)家的努力，我們不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)的實用性和集成性，還發(fā)明了螺桿加工技術(shù)，可以私人定制不同形狀的微孔，可以說是領(lǐng)先在世界上的地位。

如今，隨著國內(nèi)外汽車行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步升級，噴油器制造商及其主機(jī)廠面臨的挑戰(zhàn)也越來越嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的圓孔已經(jīng)不能滿足客戶的需求。制造商不斷尋求和開發(fā)特殊和新穎的噴嘴形狀以滿足要求。飛秒激光加工的靈活性和優(yōu)勢越來越明顯。

特殊新穎的噴孔形狀