由硬質(zhì)材料與陶瓷（如碳化鎢）制成的工具尤為耐磨。然而，用于制造這些工具的加工器械本身卻損耗更快——除非使用激光作為加工工具。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）的研究人員開發(fā)出一套完整工藝鏈，通過超短脈沖激光對硬質(zhì)材料元件進行成形與拋光，且無需更換裝夾配置。

由陶瓷硬質(zhì)材料制成的鉆頭、銑頭、滾輪乃至沖壓模不僅能夠精準切削工件，更具備超長使用壽命。然而，正是這種賦予它們優(yōu)異耐用性的耐磨特性，卻成為其制造過程中的巨大挑戰(zhàn)。當采用機械加工方法時，用于成形和精加工的刀具在面對混合碳化物硬質(zhì)合金、金屬陶瓷和陶瓷材料時顯得力不從心，導致加工器械的磨損率居高不下。

在超短脈沖結(jié)構(gòu)化加工中，持續(xù)僅數(shù)皮秒的高能脈沖會使材料瞬間氣化。隨后在第二工序中，采用不同參數(shù)設(shè)置的激光將使表層0.2-2微米區(qū)域發(fā)生熔融

在機械加工力不從心之處大顯身手
超短脈沖激光則截然不同。即便是功率為20至40瓦的商用超短脈沖激光器，也能高效去除工具制造所用的硬質(zhì)材料。當持續(xù)僅數(shù)皮秒的高能脈沖照射至材料表面時，作用區(qū)域會瞬間氣化。由于該過程以兆赫茲頻率重復進行，激光材料消融可實現(xiàn)高達每分鐘100平方厘米的表面加工速率。

但超短脈沖加工的潛力不僅限于通過氣化實現(xiàn)材料成形。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所研發(fā)出一套創(chuàng)新工藝鏈，使用同一臺超短脈沖激光器不僅能通過消融完成成形與結(jié)構(gòu)化處理，還可后續(xù)對工具表面進行拋光。

“超短脈沖激光是我們進行多種加工步驟的通用工具，有時可在一次裝夾中完成全部工序。”該研究所3D結(jié)構(gòu)消融團隊負責人Sönke Vogel表示。他與透明材料結(jié)構(gòu)化團隊負責人Astrid Saßmannshausen共同推進了這項工藝的發(fā)展。

連接各工藝步驟的關(guān)鍵在于激光參數(shù)化配置：采用高脈沖能量與低重復頻率可實現(xiàn)材料 消融，而拋光工序則需采用相反參數(shù)。超短脈沖激光以高達50兆赫茲的脈沖頻率將能量注入工件表面，能量持續(xù)累積僅使表層0.2-2.0微米區(qū)域熔融。

采用超短脈沖激光對碳化鎢-鈷材質(zhì)的切槽模具進行結(jié)構(gòu)化加工后，隨即使用同一激光器完成拋光工序。此類硬質(zhì)材料若采用機械加工方式，往往會導致刀具嚴重磨損并產(chǎn)生高昂成本

材料此時不發(fā)生氣化，而是形成熔融薄膜——借助表面張力自主流平并在冷卻過程中固化。通過精準控制工藝參數(shù)，還能實現(xiàn)對表面特性的調(diào)控。“以超短脈沖激光拋光為例，該技術(shù)能在保留宏觀結(jié)構(gòu)的同時消除微觀不平度。”Saßmannshausen解釋道。

此外，這種激光工藝能夠以微米級精度拋光復雜三維曲面。通過選擇性處理特定區(qū)域，既可局部調(diào)整表面特性，又能僅對必要區(qū)域進行精加工，從而顯著提升工藝流程的時間效率。

高效硬質(zhì)材料加工
根據(jù)工藝要求，激光拋光可實現(xiàn)每分鐘10至100平方厘米的加工速率，該數(shù)值幾乎與前置材料消融工序的速率持平。Saßmannshausen指出：將兩種工藝與同一臺激光器集成于單次裝夾操作中，可使企業(yè)憑借現(xiàn)有超短脈沖激光設(shè)備拓展服務范圍，或顯著加速新設(shè)備投資的成本回收。

尤為重要的是，該技術(shù)能有效替代硬質(zhì)材料加工的機械工藝，從而終結(jié)制造過程中時而出現(xiàn)的嚴重工具損耗問題。這不僅能降低成本，更能在實踐中精準提升資源與能源利用效率。