摸過鯊魚嗎？它的皮膚摸起來十分粗糙。這是因為鯊魚身披由帶有特殊溝槽的微小鱗片組成的「亮片外衣」。這身「外衣」未必光鮮亮麗，卻能為鯊魚帶來顯著的流體動力學優勢。鱗片上的溝槽在鯊魚體表形成微觀結構，可顯著減少沿身體產生的耗能水漩渦。這種結構使鯊魚能夠以每小時 70 公里以上的速度在水中疾馳：阻力更小、能耗更低、速度更快。
直接加工到漆層中
Michiel Top 本人從來沒有觸摸過鯊魚皮。但他希望不久後能把這種結構應用到飛機零件上。作為雷射設備製造商 4Jet 的產品開發人員，他與另外九名同事共同參與了名為 LEAF 的專案。目標是將飛機蒙皮變成「鯊魚皮」。因為在水中行之有效的原理，在空氣中也同樣適用。微觀結構也能降低飛機的能源消耗——也就是航空燃油消耗。因此，一些航空公司已經開始採用黏貼式表面結構。4Jet 公司也在開發此類薄膜，但從長遠來看，他們認為還有更好的解決方案。Michiel Top 解釋道：「將稱為肋條結構（Riblets）的微小 V 形溝槽直接加工到漆層中。這樣可以將摩擦阻力最多降低 10%。摩擦阻力約占飛機總阻力的 50%。也就是說，如果在整架飛機表面加工出這種結構，每次飛行就可節省 3% 至 4% 的燃油。」一架飛機的平均服役年限約為 20 年，通常每七年需要重新噴漆一次，由此計算，在其整個生命週期內節省的燃油以及減少的二氧化碳排放量將十分可觀。
兩束雷射光束相互干涉，在材料表面形成肉眼幾乎無法察覺的微小 V 形溝槽。
為了確保即使在並非完全平整的飛機表面上，也能可靠加工出這種結構，4Jet 選擇了具有極大焦深的方案。
所謂的肋條結構（Riblets），即透過雷射將 V 形溝槽直接加工至漆層之中。這些結構可降低總阻力達 50%，從而大幅節省燃油。
成條加工的微型肋條結構
既然薄膜會增加飛機重量，而且最終會成為廢棄物，為什麼還要使用它？因為迄今還沒有辦法在較短時間內，為數百平方公尺的飛機漆層加工出功能特性經過精準最佳化的微觀結構。做不到。不可能。全是句號。而 4Jet 公司的 LEAF 團隊卻給出了不同的答案：做不到？那是不存在的！重點在於這個驚嘆號。LEAF 是「Laser Enhanced Air Flow」（雷射增強氣流）的縮寫。該專案已開展十年，致力於實現一個雄心勃勃的構想。該製程利用雷射干涉這一物理現象，在材料表面加工形成特定微結構。4Jet 公司團隊利用一套特殊光學元件將雷射光束分束，再將兩束雷射重新匯合，使其相互疊加並發生干涉。這種相互作用會形成具有不同強度分佈的特徵圖樣， 進而在微觀尺度上改變材料表面。
Lukas May 是 4Jet 公司 LEAF 設備的負責人。他解釋道：「我們加工出的肋條結構寬 100 微米、深 50 微米， 並將這種極其精細的微觀結構均勻加工到面積超過 400 平方公尺的飛機機翼上。」因此，漆層並非逐點加工，而是沿較寬的軌跡成條處理：設備利用雷射一次加工出約 15 至 20 公分寬的條帶。在這些被稱為「Lanes」的加工帶內，可形成完全均勻的肋條結構。
May 表示，各加工帶的過渡位置會存在公釐級錯位，但從整個加工面積來看，這並不影響功能：「否則我就必須對同一條肋條結構加工兩次，這樣就存在加工結構過深、進入材料內部過多的風險。 因此我們選擇穩妥的做法。儘管如此，我們仍可有效地並排加工近 2000 個肋條結構，從而只產生一個並非完美的接縫區域。」相比傳統雷射結構化技術，該製程具有約 20 公釐的大焦深，因此即使飛機表面並非完全平整，也能可靠完成微結構加工，並達到最高每分鐘一平方公尺的加工速度。
二氧化碳雷射器與二氧化碳減排
為了讓該製程能夠在機庫內應用於大型飛機，4Jet 公司需要一套可靈活移動的設備，以引導雷射沿飛機機身移動。為此，4Jet 公司建造了一座龍門式設備。它的尺寸十分驚人：這台演示設備高達 10 公尺、寬達 20 公尺，安裝在该公司 Alsdorf 總部的廠房內。其用於加工空中巴士 A330 或波音 777 的機翼。整套設備由運動系統、雷射器、反射鏡、干涉光學系統，以及感應系統與軟體組成。雷射光源採用 CO2 雷射器 TruFlow 5000。它最符合該製程的物理需求。
Michiel Top 解釋道：「波長至關重要。CO2 雷射能夠被飛機漆層特別有效地吸收，因此能實現精確且低損傷的表面結構化加工。」同時，雷射還需要具備較高的相干性，以確保由疊加雷射光束形成的干涉圖樣能夠穩定產生。因此，TRUMPF 針對 4Jet 公司的應用需求，對 TruFlow 雷射器進行了改造，其中包括利用特殊光柵對雷射光束進行光譜窄化處理。「不過，二氧化碳雷射器無法透過光纖傳輸雷射光束。」
May 解釋道。由於龍門式設備尺寸龐大，雷射光束抵達飛機蒙皮所需經過的光路相當長。一套專為此應用開發的反射鏡系統，負責將雷射光束傳輸至加工位置。「設備本身會產生扭曲變形，因此我們採用了一套主動追蹤系統， 透過可移動式反射鏡進行相應校正。」儘管設備體積龐大，該系統仍可自由移動。雷射振鏡能精確偵測飛機與設備的位置。
原則上，肋條結構也可以加工至整架飛機的表面。不過，在實際應用中，4Jet 公司主要聚焦於空氣動力學上特別關鍵的區域。計算結果顯示，這種結構在機翼上的效果最為顯著——因為該區域的空氣摩擦阻力影響尤其明顯。Top 表示，航空公司等潛在客戶對該製程展現出高度興趣。不過，LEAF 團隊要真正為這些客戶的飛機披上「鯊魚皮」，可能仍需要一段時間。「我們目前正在尋找航空領域的合作夥伴，希望與他們共同提供這項服務。」May 解釋道。之後，該公司還需要取得航空主管機關所要求的相關認證， 而這一過程十分耗時。May 和 Top 仍充滿信心：「我們很清楚，要讓這項技術實現商業化應用，並正式投入航空營運，仍需要三到四年的時間。但我們已經證明，該製程切實可行。現在，我們已準備好邁出下一步。」
