引言
近年來(lái)，隨著醫(yī)療、航空航天、半導(dǎo)體和新能源等領(lǐng)域迅速發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵零部件的性能要求不斷提高，水導(dǎo)激光加工技術(shù)作為一種創(chuàng)新切割方法應(yīng)運(yùn)而生。它通過(guò)在激光切割過(guò)程中引入水流，能夠有效減少熱損傷，提高切割后的材料表面質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所需材料的精確加工，可以說(shuō)是新一代精密加工利器。
什么是水導(dǎo)激光？
01
技術(shù)原理水導(dǎo)激光加工是一種綠色、高效、新型的激光冷加工技術(shù)，其技術(shù)原理是以高壓微水束作為“光纖”，通過(guò)合理光學(xué)設(shè)計(jì)，將激光耦合至水束中，并通過(guò)水束引導(dǎo)激光到加工材料表面（圖1)。該技術(shù)原理研究涉及激光、材料、流體、傳熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科，交叉性強(qiáng)，水與激光的耦合技術(shù)是該加工方法的關(guān)鍵技術(shù)。
1、
圖1 水導(dǎo)激光加工技術(shù)的工作原理[1]
02
與傳統(tǒng)激光加工的對(duì)比水導(dǎo)激光是結(jié)合了水射流和激光束的創(chuàng)新加工方法，加工時(shí)可以大大減少熱損傷，提高加工精度和質(zhì)量，同時(shí)還可以減少加工時(shí)間和廢料。下面從切割精度、熱影響區(qū)、表面質(zhì)量等角度對(duì)比常規(guī)激光加工和水導(dǎo)激光加工兩者存在的差異（圖2）。
圖2 常規(guī)激光加工與水導(dǎo)激光加工特點(diǎn)對(duì)比
可以說(shuō)，在加工過(guò)程中，水導(dǎo)激光利用水作為傳導(dǎo)介質(zhì)，無(wú)需對(duì)焦就能實(shí)現(xiàn)高效、高精密加工，水束流有冷卻、沖刷作用，大大避免熱損傷以及提高加工表面質(zhì)量。
水導(dǎo)激光加工技術(shù)的起源及發(fā)展
從工業(yè)考古出發(fā)，水導(dǎo)激光是1986年由德國(guó)公司Aesculap-Werke AG發(fā)明的，首代設(shè)備僅僅是在光纖出口加了一小柱水流。1991年，Lasag AG公司在之前的基礎(chǔ)上，將激光聚焦在噴嘴中，從而形成了真正意義上的水導(dǎo)激光。
1997年，Synova SA公司將上述原理樣機(jī)商用化，并進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用[2]。早期的研究主要集中在激光與水介質(zhì)的相互作用以及水介質(zhì)對(duì)激光束的傳輸和聚焦效果。隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員開(kāi)始探索水導(dǎo)激光技術(shù)在其他領(lǐng)域的的應(yīng)用。
進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)科學(xué)家們開(kāi)始深入探索水導(dǎo)激光的技術(shù)原理。研究人員對(duì)激光在水中的傳播特性，包括激光與水的相互作用、激光在水束中的折射和散射規(guī)律等進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如，通過(guò)建立復(fù)雜的光學(xué)模型來(lái)模擬激光在不同水質(zhì)（如純水、含有微量雜質(zhì)的水）中的傳播路徑，以更好地理解如何通過(guò)水來(lái)精確引導(dǎo)激光能量。
這一時(shí)期，水導(dǎo)激光開(kāi)始初步應(yīng)用于一些對(duì)精度和熱影響要求較高的特定領(lǐng)域，如珠寶加工和部分精密電子元件制造。隨著對(duì)水導(dǎo)激光加工技術(shù)的深入理解，其材料加工范圍不斷拓展。
除了早期應(yīng)用的材料外，研究學(xué)者還嘗試應(yīng)用于一些難加工材料，如超硬陶瓷和高強(qiáng)度金屬合金。在醫(yī)療領(lǐng)域，水導(dǎo)激光被用于加工生物相容性材料，如用于制造植入式醫(yī)療器械的特殊聚合物和金屬材料。在保證不損傷材料性能的前提下，適用于制造復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，滿足醫(yī)療設(shè)備的特殊需求。進(jìn)入多元?jiǎng)?chuàng)新階段，水導(dǎo)激光開(kāi)始與其他先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行融合。
例如，與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更加自動(dòng)化和智能化的加工過(guò)程。通過(guò)CAD/CAM軟件，可以精確地設(shè)計(jì)加工路徑和參數(shù)，然后直接控制水導(dǎo)激光加工設(shè)備進(jìn)行加工。
水導(dǎo)激光產(chǎn)業(yè)及規(guī)模
水導(dǎo)激光的應(yīng)用規(guī)模有多大據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院公開(kāi)信息稱，全球AI芯片數(shù)量情況呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。智能安防、無(wú)人駕駛、智能手機(jī)、智慧零售、智能機(jī)器人等幾大行業(yè)對(duì)AI芯片的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了AI芯片市場(chǎng)的快速發(fā)展。
2022年全球AI芯片數(shù)量為1433萬(wàn)套，同比增長(zhǎng)18.2%；2023年AI芯片的數(shù)量將增至1640萬(wàn)套，同比增長(zhǎng)14.4%。
2020-2023年全球AI芯片數(shù)量情況 AI芯片是高性能計(jì)算的核心引擎，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和大規(guī)模并行計(jì)算中承擔(dān)高運(yùn)算負(fù)荷，產(chǎn)生大量熱量。
若散熱不及時(shí)有效，芯片會(huì)過(guò)熱，影響AI系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性，所以先進(jìn)的導(dǎo)熱材料和散熱技術(shù)成為產(chǎn)業(yè)焦點(diǎn)。AI芯片所需散熱器數(shù)量受芯片功耗、工作頻率和散熱設(shè)計(jì)效率等因素影響。
高性能AI芯片通常需要2-4個(gè)散熱器來(lái)確保熱量管理和性能穩(wěn)定。我們不妨來(lái)假設(shè)下，如果AI芯片所需的散熱器用的都是超硬陶瓷材料，那么2023年全球AI芯片所用的散熱器數(shù)量為3280-6560萬(wàn)件，這就是水導(dǎo)激光可能在AI芯片的應(yīng)用市場(chǎng)。
而這還僅僅是AI芯片中的，這里我們僅給大家提供一個(gè)大致的概念，不代表真實(shí)應(yīng)用數(shù)量。
在全球范圍，水導(dǎo)激光相關(guān)的核心產(chǎn)品目前主要來(lái)自于2家瑞士公司——
1、Synova公司（13522079385）
2、AVonisys公司（13501282025）
前者采用綠光激光器，后者采用紅外激光器。
而我國(guó)在水導(dǎo)激光裝備開(kāi)發(fā)方面相對(duì)國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距，同時(shí)，缺乏成熟穩(wěn)定的設(shè)備也制約了相關(guān)行業(yè)加工技術(shù)的發(fā)展。
