2021-03-29
增材制造（AM）与传统制造方法相比具有固有的灵活性和优势，可以生产复杂性能的产品。预计到2020年，增材制造技术全球潜在的年市场价值为210亿美元，其中48.4％将用于航空航天，汽车和医疗行业等高附加值制造应用。上述领域的许多应用都与功能和安全关键部件相关，例如涡轮叶片在喷气式发动机中的应用和骨植入人体。
增材制造技术的迅速采用使得抑制假冒产品更加困难，因为仿冒者有合适的3D打印机，可以在线下载或通过逆向工程获得的3D模型，它们就可以轻松快速地复制仿制产品。美国联邦航空管理局（FAA）数据库报告说，在2010年至2017年之间，有20例由于假冒部件而导致飞机坠毁的事件。美国国家运输安全委员会（NTSB）报告了2011年至2016年之间在飞机中发现的135起不合格的航空部件案件。汽车工业中的伪造品更为严重，世界海关组织在国际刑警组织（Interpol）估计，全球假冒汽车零件的市场价值为每年120亿美元，而美国汽车零件行业由于假冒商品而损失了30亿美元的销售额。
由于现有金属增材制造技术的技术局限性，包括粉末床熔合和定向能量沉积会使嵌入高分辨率的安全特征变得困难。因此开发一种高分辨率多金属材料添加剂制造技术来嵌入跟踪码作为一种新的防伪手段是非常重要的。
本文实验中使用的主要材料是由英国LPW科技有限公司提供的直径为10–45微米的球形316L不锈钢粉末(图1a)，直径为10-45μm的Cu10Sn粉末（Makin Metal Powders Ltd. UK，图1b）用作安全标记材料。Cu10Sn和316 L的热性质和密度具有明显的特征，因此预计它们将呈现显著不同的红外光谱、X射线荧光和X射线图像特征。由于316L化学成分中不含铜和锡元素，嵌入的特征应该更容易通过x射线荧光分析来观察。
图1. 使用的粉末材料的SEM图像 a）316 L粉末，b）Cu10Sn粉末
使用由曼彻斯特大学设计的多材料SLM系统（如图2所示）进行实验。
图2. 实验装置示意图
工艺流程如图3所示，首先将主要材料即316L铺开薄层，随后用激光束选择性熔化设计区域中的粉末。然后，在限定二维码位置的未熔化粉末被微型真空吸尘器去除一层，以产生特定图案的平坦空腔。标记材料，即Cu10Sn，被沉积到这种二维码图案的空腔中，并被激光束熔化。为了避免粉末材料污染主要材料，用微真空系统再次清洁激光熔化的二维码区域。然后，工作台下降给定的单层距离。重复这些步骤，直到创建3D元件。
图3. 用于在金属零件中嵌入安全特征的多材料SLM工艺流程示意图
记录CCD图像的嵌入式QR码打印过程，(a)到(g)的每个步骤都在中说明图3
如图5a所示，设计了特殊的QR码，其中QR码（红色）和周围成分（蓝色）分别由Cu10Sn和316L制成，它代表的信息是“曼彻斯特大学LPRC”。样本A中的代码(图5a)在顶面上完全暴露在外。样本B上代码的三分之二被1毫米厚的316L层覆盖(图5b)。样本C上的整个嵌入二维码(参见图5c)被厚度为2mm的316L层覆盖。所有三个样本的二维码厚度均为0.5毫米。
图5. (a)至(c)分别给出了二维码样本A、B、C的示意图，(d)是粘附在304不锈钢基底上的标签环的示意图，其中x光从基底的底部射出。
样品表面的加热基于辐射热传递。二维码316L部分与基板之间的热传递是通过传导实现的。在加热过程中，初始样品温度为15℃，炉内温度设定为120 ℃。在冷却过程中，样品通过对流和辐射传热进行冷却。样品在正常的室内环境中冷却，因此环境温度为15 ℃。
随着加热时间的增加，暴露的二维码和部分覆盖的二维码温度分布在图7a和b。对于暴露在表面上的二维码，316L部件显示最高温度为51℃，而Cu10Sn二维码在加热10分钟后为35℃，因此可以识别出清晰的二维码。对于其他样品，我们没有发现Cu10Sn二维码和周围316L之间的显著温度差异，直到样品被加热1小时，如所示图7b.
图6. (a)和(b)分别显示了暴露的二维码随着时间增加的模拟温度分布和部分覆盖的二维码的模拟温度分布。
随着时间的推移，Cu10Sn部分和316L部分之间的温差减小，图像对比度降低。图9b表示部分覆盖的二维码在20分钟间隔内的温度分布。地下二维码造成的温差无法识别。
图8. 随着冷却时间的增加，二维码样本的模拟温度分布，(a)暴露的二维码，(b)部分覆盖的二维码。
在确定的材料成分和X射线入射强度下，X射线成像分辨率预计会受到包含标记特征的X射线检查区域的总厚度的影响。它将随着覆盖层的深度呈指数下降材料厚度增加，并且选择较重的金属作为标记材料并增加标记厚度将有助于增强x光成像对比度。
x光图像(图9b)清楚地识别样品A顶面上的二维码。材料密度(即材料的原子量)越低，材料对x光越透明，其图像越亮。316L和10Sn的密度分别为8.00克/厘米3和8.78克/厘米3，因此316L材料的颜色比Cu10Sn的颜色浅，如所示图9b。
图9. (a)和(c)示出了样品A和C的光学图像，(b)和(d)示出了样品A和C的俯视数字X射线图像。
为了进一步研究嵌入深度对二维码识别的影响，在二维码覆盖层为15.0mm的情况下，从上至下对样本A和样本C进行了检测。由于数字X射线系统穿透深度的限制，采用了传统的射线照相胶片方法，其光子穿透深度要高得多，但图像分辨率比数字X射线图像差。从仰视图看，样品A和样品C仍然观察到清晰的二维码轮廓，如所示图10顶视图和底视图之间的x光图像的差异是覆盖层厚度为15 mm的样品显示出较差的对比度。然而，这些并不影响二维码成像分辨率。
本文来源：https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.09.003
2021-03-28
从掌上型和可穿戴式显示器到通信和计算系统，光子设备现已遍及全球。制造光子器件必不可少的材料是透明材料，例如玻璃，聚合物和晶体，我们通常希望它们具有透明和宽带的透明性，稳定性以及多种成分。聚焦的超快激光脉冲会在这些透明材料中引起非线性吸收效应，从而使我们能够在材料的表面或内部进行微加工。这种被称为超快激光微加工的技术已经有了多种应用，例如切割、钻孔、波导耦合器和分路器的直接写入、光学动态记忆，甚至玻璃和玻璃、玻璃和金属或玻璃和陶瓷之间界面的焊接或接合技术。
超快激光脉冲与材料的相互作用在材料加工和微加工中有潜在的应用。在超快光脉冲中，由于光能被限制在很短的时间内，所以可以获得很高的峰值功率。与连续波和长脉冲激光的微加工相比，超快激光有几个优点：创建微型结构结构、对周围环境没有附带损害、清洁的工艺外观、小的热影响区(HAZ)、没有改变材料性质、以及具有透明的材料表面或内部结构。超快激光微加工是超快激光应用的一个快速发展的领域。因为加工过程不依赖于激光波长的线性吸收，所以实际上任何电介质、金属或机械硬材料都可以通过相同的激光束进行加工，以进行表面烧蚀和内部修饰。
超快激光可用于微加工多种材料：金属、聚合物、半导体、透明材料等。然而，材料的性质，尤其是光学和热学性质，需要选择合适的激光参数进行修改。要在材料上进行超快激光微加工，必须选择合适的激光操作参数，例如：激光波长、重复率、激光功率、扫描通量、脉冲持续时间、偏振、束斑尺寸和质量。以下图片显示了激光操作参数对透明材料激光微加工的影响。
图1. 激光通量（每个脉冲的能量在括号中给出）有所变化：（a）12.1 J / cm 2（170μJ）（b），12.9 J / cm 2（180μJ），（c）15.0 J / cm 2（210μJ）。
图2. SEM显微照片，显示了在激光钻孔和切割后堆积在弹坑内（a和b）和碎片（c和d）内部和外部的碎片。
图3. 在515 nm波长下通过10 ps的10 ps激光脉冲的10遍产生的50微米厚的硼硅玻璃上的切口的SEM显微照片。
图4. 激光产生的沟槽的SEM图像证明了应变对激光加工质量的影响。
超快激光脉冲微加工的一个显著特征是透明材料的内部微加工。当近红外超快激光脉冲聚焦在玻璃体内时，焦点体积中的强度变得足够高以引起非线性吸收，这导致焦点体积中玻璃的局部改变(如下图）。
使用超快激光脉冲的微加工技术被用于在透明材料中制造光子器件。通过在各种各样的玻璃中平移超快激光脉冲的焦点，这种技术已用在三维空间中集成光子器件，包括波导、耦合器和光栅。作为空隙形成在透明材料中的应用，已经报道了3D光学数据存储，其中空隙或纳米光栅的出现表示二进制值，而空隙的不存在表示二进制值。
使用超快激光脉冲形成的大块玻璃中的空隙阵列。
超快激光玻璃微加工最有吸引人的应用之一是直接制造生物芯片，如微流体、光流体、微全分析系统，以执行生化样品的反应、检测、分析、分离和合成。为了在玻璃内部创建三维微流体结构，广泛采用了两种方法，即液体辅助超快激光钻孔和超快激光辅助湿化学蚀刻。
在液体辅助超快激光钻孔中，如下图超快激光3D烧蚀从与蒸馏水或其他液体接触的玻璃后表面开始。润湿液在其形成过程中渗入激光钻孔的通道中，并极大地促进了清除限制在所形成的狭窄微流体通道内的烧蚀碎屑，从而显着减轻了深钻时的碎屑堵塞问题。
液体辅助超快激光钻孔示意图
超快激光辅助湿化学蚀刻示意图。(a)超快激光照射引起的潜像，(b)热处理引起的改性区域，(c)化学蚀刻形成的微通道。
本文来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399215002741
2021-03-27
全球领先的工程材料和光电器件供应商II-VI于3月25日（美国时间）宣布，它与全球领先的激光器、基于激光的技术和基于激光的系统解决方案供应商之一Coherent,达成最终协议。
根据该协议，II-VI将以现金和股票交易方式收购所有Coherent股票。根据交易条款，Coherent股东将以每股Coherent普通股交换为220美元的现金和0.91股II-VI普通股。
II-VI首席执行官Vincent D.(Chuck) Mattera Jr.博士表示：“我们很高兴与Coherent达成协议，以打造光子解决方案、化合物半导体以及激光技术和系统的全球领导者。合并之后，我们将拥有巨大的机会，通过互补的技术平台来加速增长，通过利用我们在整个价值链中的合并规模来增强竞争力，受益于更丰富的市场经验和专业知识，并通过拓宽终端市场和地域市场来进一步多元化我们的业务。”
他还说：“ II-VI和Coherent的结合将使我们在未来几十年中共同面对不可逆的大趋势。我们很高兴欢迎才华横溢的Coherent团队加入II-VI，并期待我们的共同努力为公司股东、客户、员工和业务合作伙伴等所有利益相关者带来可观的价值。”
合并后的公司预计在交易结束后的36个月内将实现2.5亿美元的年度成本协同效应，预计交易结束后第二年将增加非GAAP每股收益。
＋财务优势
II-VI计划以手头现金、摩根大通约54亿美元的完全承诺债务融资和贝恩资本的股权投资为交易提供资金。贝恩资本已承诺以每股85.00美元的转换价格向合并后的公司投入15亿美元，并已确认愿意在同等条件下额外增加6.5亿美元的可选投资金额，其中至少增加3亿美元，使其总投资额达到最少18亿美元。贝恩资本的投资将使II-VI大大降低杠杆率。
贝恩资本联合主席Steve Pagliuca将通过他们的投资加入II-VI董事会。预计现任两名Coherent董事也将在交易结束后加入II-VI董事会。
贝恩资本联合主席Steve Pagliuca说：“我们很高兴与Chuck和II-VI管理团队合作，他们拥有出色的运营经验和强大的并购记录。II-VI和Coherent的结合将打造光子学行业的领先平台。我们对合并公司将在未来几年内取得的成就感到非常兴奋。”
这项交易已获得两家公司董事会的批准，目前还需获得II-VI和Coherent的股东的批准，以及美国和外国监管机构的批准以及其他惯例成交条件。交易预计将在2021年年底之前完成。
Allen&Company LLC和摩根大通证券有限公司担任II-VI的财务顾问，而Wachtell、Lipton、Rosen&Katz和K&L Gates担任法律顾问。
同日，Coherent宣布终止与Lumentum的合并协议。根据Coherent于2021年3月9日与Lumentum的合并协议，Coherent必须向Lumentum支付2.176亿美元的终止费，以便与II-VI达成新的合并协议。
据Lumentum表示，根据2021年3月24日的收盘价，Lumentum的要约价格为283.12美元，而II-VI的要约价格为281.21美元。
Lumentum的要约包括以每股230美元的现金和0.6724股Lumentum股票的价格购买Coherent的每股股票。II-VI的要约包括每股220美元的现金和0.9100股II-VI的股票。
来源：ICC
2021-03-27
2021-03-25
水刀切割和激光切割是现在广泛使用的切割方式，事实证明，这两种方式也是业内最有效的切割解决方案。但是人们并没有停止寻找更好的切割方式，例如说一些精密金属零部件的加工，或者是一些新材料的切割，就需要寻找新的切割方式，继而就研发出了独特的水刀激光切割技术。
随着碳纤维增强聚合物，以及陶瓷基复合材料等新材料的出现，这些新型材料的机加工成为一个问题。
无论是水刀还是激光切割都有着一些缺陷，为了应对这一挑战，就开发了水刀激光切割技术来加工这类高级复合材料。
水刀激光切割是一种混合加工方式，也被称为激光微喷，是将激光与“细细的”水射流结合在一起，水射流（水刀）通过与常规光纤类似的方式精确地引导激光束从而实现切割，水刀不断冷却切割区并有效清除切割时产生的碎屑。
激光通过聚焦后会形成激光束，穿过加压水腔时就会推动水向前流动，并聚焦到喷嘴中，最后激光束将和水流一起从喷头中射出。这个水流里是不加磨料的，所以切割主要还是靠激光，水的作用是利用水柱引导激光不分散，聚集激光能量切得更快，还有降温和清除碎屑作用。
从喷嘴到切割工件上的这段距离，激光束并不会分散，而是在水柱中不断反射前进，原理上类似于光纤传输，激光束可以在长达10cm的距离被引导，从而实现整齐的切缝，无需再次聚焦或距离控制。
该技术最先是应用在半导体晶圆切割上的，随着技术的成熟，逐渐推广到医疗设备，钟表加工，燃气和喷气发动机涡轮叶片，半导体设备的机械加工以及超硬工具制造过程中的材料切割。
水刀激光切割对于加工者来说，它可以有更快的生产速度，更广泛的加工材料，更高的可靠性和更高的切割质量，实现更低的切割成本。而随着更多新材料出现，水刀激光切割所有的这些特点，也将被更广泛的使用。
文章来源：制造原理
2021-03-25
众所周知，铜及其合金是一种非常难以焊接的材料，其原因如下：铜及其合金的传导率比较高，造成熔化困难，因此大量的热需要用来补偿热消散和局部进行高度加热，结果形成热应力和最终造成变形等缺陷。溶解的氧容易形成氧化物和气孔。对激光束的吸收率比较低，尤其是激光波长为700nm以上的时候，吸收率不到3%。Auwal等人曾经对激光焊接铜合金进行了一个综述，详细的讨论了在铜合金作为工程材料时所面临的问题。
▲图1. 上图为激光光束振荡焊接技术的示意图，下图，在不同激光功率的条件下焊接焊道的俯视图和横截面，参数为: 焊接速度 = 4.0 m/min, 聚焦的位置 = 0, 旋转直径 = 1.0 mm,旋转频率 = 100 Hz, 光束轨迹 =圆形. 焊接方向为自左边向右边
众所周知，铜及其合金是一种非常难以焊接的材料，其原因如下：铜及其合金的传导率比较高，造成熔化困难，因此大量的热需要用来补偿热消散和局部进行高度加热，结果形成热应力和最终造成变形等缺陷。溶解的氧容易形成氧化物和气孔。对激光束的吸收率比较低，尤其是激光波长为700nm以上的时候，吸收率不到3%。Auwal等人曾经对激光焊接铜合金进行了一个综述，详细的讨论了在铜合金作为工程材料时所面临的问题。
▲图2. 在不同的焊接速度下得到的焊道的俯视图和横截面，激光参数为：: 激光功率 = 4000 W, 光斑聚焦位置 = 0, 光束振荡直径 = 1.0 mm, 光束振荡频率 = 100 Hz,光束轨迹 =圆形. 焊接方向为自左边向右边进行焊接
如今，大多数激光焊接铜合金的研究聚焦在脉冲激光的点焊的应用上。采用连续激光焊接厚板的铜的可行性将会允许在热交换器，高功率翅膀转换以及导电和导热所需要的设备上的应用。
▲图3. 光束移动时铜材料的相互作用的示意图（俯视图），每一种颜色代表一个单个的周期T
为了克服焊接性的问题，采用不同的策略产生连续的穿透型的对接焊缝且可以控制焊接缺陷，显微组织和残余应力与变形。在所有的策略钟，在连续激光焊接的过程钟，采用光束振荡，或者说叫摇摆，目前还没有应用到铜的激光焊接上，但铝合金和钛合金等材料中的激光光束振荡焊接已经有应用，以上材料比铜合金的焊接相对要容易一些。
▲图4. 在不同的激光光斑聚焦位置下焊道的俯视图和横截面，焊接参数为：激光功率 = 4000 W, 焊接速度 = 4.0 m/min，旋转直径 = 1.0 mm, 选装频率 = 100 Hz, 光束轨迹 =圆形).焊接方向为自左边向右边进行焊接
光束摇摆（振荡）扩大了激光束与材料之间相互作用的面积和焊接宽度，降低了焊接过程中所需要的热输入。在高反射材料中，如铜合金，采用光束振荡，材料的局部温度会升高和提高对激光的吸收率。能量的效率会增加，因为在焊接过程中的反射变少。另外一个主要的优势在于适宜的光束振荡激光头在使用时，可以控制热温度梯度和匙孔的稳定性，这将导致焊接缺陷的减少和获得光滑的焊缝表面。
▲图5. 在不同的光束振荡旋转直径的条件下得到的俯视图和横截面图：激光参数为激光功率 = 4000 W, 焊接速度 = 3.0 m/min, 光斑聚焦位置 = 0, 旋转频率 = 100 Hz,光束轨迹 = 圆形. 焊接方向为自左向右进行扫描
激光的动态移动可以具有不同的形状，并且其振荡模式的变化可以促进在焊接工艺过程中实现更好的温度管理，从而导致并不陡峭的热输入和冷却速率以及热温度梯度。因此，激光光束振荡可以通过最大化的降低焊接缺陷来提高工艺过程，而不会对焊接后的显微组织产生影响，就不会出现以前Kraetzsch所报道的 Cu/Al异种材料的焊接和Wang等人所报道的进行Al焊接时所产生的情况。
▲图6. 采用不同的光束轨迹得到的焊道的俯视图和横截面；激光参数为：激光功率 = 4000 W, 焊接速度 = 4.0 m/min, 光斑聚焦位置 = 0, 旋转直径 = 1.0 mm. 焊接方向为自左边到右边进行焊接
激光光束摆动焊接（光束振荡技术）在如今开始变得可以实现更加广泛的应用。Khodabakhshi等人成功的采用光束摆动技术实现了Al与Mg之间的异种连接。观察到裂纹的敏感性在适当的激光运动下变得可控。这些结果进一步的得到了 Shah 的证明，他的研究结果表明光束摆动可以提高Al同Mg的异种材料连接的质量。气孔的形成在采用光束摆动焊接Al-Mg合金的的时候也会得到抑制，这进一步的证明了光束摆动这一新颖的技术在焊接中的潜在影响。而且，Jiang等人和Li等人的研究显示熔化区的晶粒细化在光束摆动中可以观察到。在光束摆动过程中复杂的激光束的运动可以用来控制材料在焊接过程中的峰值温度和热温度梯度。
▲图7. 激光焊接铜合金时的光学照片：a) 焊接接头的宏观照片; b)基材; c) 热影响区; d) 熔化区
由于激光摆动焊接仍然是新发展起来的一项技术，在当前，激光摆动焊接主要集中在钢和Al的焊接上，针对铜合金的有效焊接上尚存在理解缺乏的问题。本研究主要针对光束振荡参数对铜合金进行激光焊接时的焊道形貌和显微组织的影响，其目的时希望能够理解光束摆动对熔池的运动，焊道形貌和横截面的特征以及显微组织进行分析表征。
▲图8. a) 和 b) 光束振荡（摆动）焊接工艺的示意图; c) 熔化区的横截面 ; d) 实际焊道的边界和理论分析的边界的对比
▲图9. 在不同的光束振荡参数下，当匙孔在同一位置时熔池的顶部表面的速度矢量图的模拟结果 (测试单位: m/s)：(a) 30 Hz; (b) 50 Hz; (c) 70 Hz; (d) 90 Hz; (e) 0.50 mm; (f) 0.75 mm; (g) 1.00 mm; (h) 1.25 mm.（材料为SUS304不锈钢）
主要研究结论
采用激光光束振荡（摆动）技术进行铜合金的焊接，取得了如下积极的结果：当焊接参数进行优化时，没有焊接缺陷存在，如气孔，裂纹等，这些是铜合金应用时的关键指标。
采用多模光纤激光进行焊接铜合金的厚度为1.5mm的时候，可以实现无缺陷的焊接，焊接参数为：焊接速度在3.5 到4 m/min，采用圆形的焊接模型，圆形的旋转直径为0.6–1 mm，频率为100Hz。
光束振荡对焊接工艺产生了积极的影响，这是因为焊接模式从匙孔效应转变为传导焊接模式。没有施加光束振荡的条件下，样品中存在大量的气孔缺陷，飞溅和空穴，导致的原因是匙孔的不稳定性。
高的旋转直径和旋转频率增加了焊道之间的搭接，导致交互作用时间变短，因此，焊道的穿透能力下降。然而，焊道表面的形态呈现出较少的缺陷，如飞溅和表面空穴。由于焊接工艺不是对称的，这是因为光束旋转的原因造成的，在高速旋转频率的作用下底部存在不饱满。
在高的焊接速度下，尽管表面空穴和飞溅减少，但焊接深度显著下降。测试不同的光束运动轨迹后发现，圆形的运动轨迹是效果最佳的。
在焊接的熔化化区发现非传统的显微组织特征，这些圆形的条带是由于凝固前沿在光束振动的条件下所形成的。圆形的条带表明激光光束和材料的相互作用的边界相类似。由于光束摆动效应，在相互作用的时间间隔Δt中，激光束接触在熔化区可以接触到同熔池更多的相互作用时间。在每一旋转过程中，它就会发生部分材料熔化和产生圆形的熔化线，从而在前一选装中凝固形成外延生长的模式。在铜合金的增材制造过程中，会观察到相似的现象，但，实际上，此时的形成归因于Cu2O的存在。
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