雷射與積層製造技術

洪基彬
工研院 雷射與積層製造科技中心 副執行長

2019 年六月份適逢兩年一次全球最大雷射展在德國慕尼黑舉行,十一月份則是每年一次全球最大3D 列印展Formnext 2019 在德國法蘭克福舉行,藉本次專輯在此向讀者摘記個人在兩展的一些淺見;慕尼黑Laser World of Photonics 2019 雷射展參展商共計1,325 家,較2017 年的1,293 家,成長約2.5%,來自40 國,而參訪者約有34,000 人,較2017 年的32,700 人,約成長4.0%,超過60% 來自德國境外,主要成長人數來自美國及亞州,幾乎全球重要雷射廠商皆有參與,包括Trumpf、Coherent- Rofin、Jenoptik、IPG、SPI、Scanlab 等;其中地主國德國居於歐洲雷射領導地位,重量級廠商亦為展場焦點,而德國研究機構Fraunhofer、LZH 也同步發表研發成果;中國廠商參展攤位也不少,其中具知名度的有大族激光、MAX 等。

IPG 為全球最主要光纖雷射源大廠,2019 年IPG 主要展出脈衝紫外光、綠光光纖雷射含奈秒、皮秒及飛秒、20,000W~30,000W QCW 雷射、藍光雷射、RGB 雷射、掃瞄頭及各式加工頭等,之前的12 萬瓦雷射等CW 高功率則未展出,似乎又回到微細加工場域戰場,但從雷射源延伸到掃瞄頭、加工頭,甚至也展出雕刻機,意味逐步踏入各雷射關鍵模組,乃至利基系統,因其掃瞄頭及加工模組特別展出用於紫外光的高難度模組,也展出光束整形模組如Ring + Central 並呈現以此模組的加工品質遠優於非複合光束,顯示在製程技術, IPG 也頗有涉入;如同Trumpf 已逐步由系統走向關鍵模組自主並對外供應的垂直整合,而IPG 由2017 年宣告的光纖雷射源組件公司內部已垂直整合,似乎正擴充為雷射系統面向的垂直整合。

Coherent 為全球主要雷射源大廠之一,專注在雷射源的開發,應用領域包含micro 到macro,會場展示主要以各種不同波長的雷射源(UV  IR),包含氣體雷射、固態雷射與半導體雷射,今年規模較2017 年小,主要展出超短脈衝雷射、加工應用,強調其雷射源搭配加工模組可有良好製程品質,並展出各式應用,諸如UV 皮秒雷射用於OLED、 IC wafer 切割、薄膜加工的高速低熱影響區,也展出各廠力推的汽車電池電極、電動馬達粗線圈端頭等銅-銅、銅-鋁的銲接,另有鋁鑄Pump Housing 的3.8KW 雷射銲接取代傳統O-ring 鎖固以永絕漏水氣問題、汽車儀錶板日夜兩用雷射雕刻、汽車不鏽鋼油管銲接、皮秒雷射用於Bus Bar Stripping 的銅-polymer 銲接、不鏽鋼Sensor Housing 銲接、不鏽鋼Heating Device 銲接、不鏽鋼ABS Brake Sensor 銲接等,也展出以Excimer UV Laser 及其光學頭影模組進行Flexible OLED 及Micro LED 大面積的lift-off transfer,顯然雷射巨量轉移也是目前應用的趨勢,除汽車應用,顯示面板應用也是熱門市場;另外,較驚訝的是德國OR Laser 竟然也被Coherent 併購,其所推出的3D Printer Creator 也在此次展出,其煙塵排廢設計頗獨到,且價格很有競爭力工作範圍直徑10 公分,高度10 公分,定價約15 萬美金,而其加工掃描頭則力推其併購的Scansonic 產品。

Trumpf 本次展出主要有打標、切割、銲接、微細加工、3D 列印及產線數位連接(TruConnect), 展場以電動汽車為載具,說明前述五大技術在車子的應用例,其中,銅-銅、銅-鋁的銲接展品頗多,顯示此應用正夯或技術頗具挑戰;在焊接技術上除銅質銲接,其光纖雷射結合循跡掃描達成精準銲接,使得銲接品質相當良好;微細加工以超短脈衝雷射進行硬脆材料、高分子複合金屬、高分子複合硬脆材料、異質金屬材料間的焊接、切割也都有展示;3D 列印含PBF(Powder Bed Fusion) 及LMD(Laser Metal Deposition) 展出應用於汽車部品,如以LMD 在剎車盤面披覆耐磨材料、PBF 製作齒輪連件等;產線數位連接命名為TruConnect,透過各雷射設備通訊協定及感測器,可將機台雷射參數回傳到Trumpf 控制中心,以統計系統內各模組數據諸如雷射功率、平台移動速度、掃描器速度/ 範圍等,以通知客戶設備各模組正常與否、該否維修等,強調不蒐集製程參數,不外洩客戶資訊,可能會逐步完構工業4.0 功能甚至全廠人工智慧化;整體而言,Trumpf 本次較強調技術應用,對雷射設備本身較未若往昔般強調,應該是想以應用及其成效來凸顯公司本身設備的優異。

今年E-Mobility 的銅銲接是顯學,眾多講者都在分享銅銲接在電動汽車電池電極或馬達的應用,其中一場〝Challenges in Component Welding for E-Mobility with the Laser Beam〞 by Thorsten Twiehaus, Project Manager, FEF,分享在低度真空環境下,對銅-銅、銅-鋁以600 W 與16 KW 進行銲接,可有減少濆濺、低功率高滲透深度、降低工時等效果,對追求高銲接表面品質,低真空環境銲接是一選項; 而〝Blue Laser as Game Changer in Copper Applications〞by Marks Rutering, Laserline GmbH,分享將藍光與IR Diode Laser 複合形成甜甜圈光型,中間是IR 諸如1000W,周圍是藍光500W 進行銅板銲接,可以獲得高滲透深度、幾乎無噴濺、高熱傳銲接等優勢,採用藍光預熱軟化,加速IR 銲接的複合光型與波長,對銲接或切割從理論上而言,選對波長、前熱軟化、中熱熔銲、後熱回火,本是理想方式,只是成本效益仍是考量重點,但對高品質銲接,似乎也需考慮複合雷射加工方式,才能確保電池電極的良好電性與安全。

有一場〝A SPIE View of Trends in Biophotonics〝 by Dr. Andrew Brown, SPIE,提出他們對生醫未來發展的看法,包含從刊物與論壇、光子領域市場趨勢及研發預算三面向為依據,就2018 年光子領域市場趨勢面向,認為產業價值鏈及市場規模依序可分核心元件(core components)、產品(products)、可用產品與市場(enabled products)/ 全球售額超過美金1.8 兆、可用服務(enabled service)/ 全球售額超過美金10 兆,全球108 家公司占總營收75%,核心元件由2012 年至2018 年複合成長率超過6.6%,其中中國成長最速,預計到2020 年全球約有美金302B;就預算面向,以2016 年支出統計,OECD 每人年約4000 美金,美國每人年10,000 美金,全球研發投入仍以美國最多,其次中國,再者歐盟,中國則是成長最快,反而日本稍微下降,以2019 年NIH 的預算為例,主要領域如Alzheimers($ 2.3B)、Opioid addiction(1.3B)、BRAIN($429)、Precision Medicine-All of US($ 300M)、Cancer Moonshot($400M);SPIE 認為未來的大市場分別為Quantum Biophotonics、AR/VR/MR、Wearables、Mobile、Data Science、AI 等。


文章轉載自工業技術研究院機械工業雜誌