“光加工”時代到來, 傳動部件邁向高精密化
文:中國傳動網 組編/編輯部2020年第三期
導語:在工業4.0智能制造大環境下,為了加快實現產業升級,產品加工精度與生產效率的提升迫在眉睫,激光加工解決方案作為智能制造領域內的一大重要技術分支,已成為時下的一個潮流趨勢,從“機加工”到“光加工”,一個全新的時代正在開啟。
激光加工產業作為智能制造領域內的一大重要技術分支,伴隨著近年來消費者對電子產品提出的高續航力、高安全性和輕薄化、個性化等需求,使得產品的加工難度日益提升,加工工藝的升級迫在眉睫,于是乎,越來越多生產廠商將目光投向了激光加工技術,無論是傳統制造業,還是新興制造業,采用激光加工技術解決方案都已成為時下一個潮流趨勢。根據專業機構Laser Manufacture News的調查統計,2018年中國工業激光與相關產品的市場規模約為855億元,同比增長18.6%,與前幾年相比,增長有所放緩;而在2019年復雜的經濟環境下,市場增速保持在10%左右,市場規模約940億元。面對2020年新冠疫情的爆發,在當前智能手機、汽車電子等重點終端下游市場受到嚴重影響的前提下,整體激光產業的發展同樣挑戰激增,市場走向變得撲所迷離。
激光材料加工是重點市場
就現階段整體激光產業鏈來看,上游主要包括激光材料和配套元器件,如激光晶體、激光燈、特種光纖、光學鏡片、振鏡等;中游主要是各種激光器及其配套加工設備,例如CO2激光器、光纖激光器、各種數控設備、機電設備、激光模塊等等。從整體系統應用的成本來看,激光器作為光源,占激光裝備總成本的30%-60%,美國相干、IPG、德國通快等巨頭廠商處于行業領導者的位置;國內新冒升的銳科2019年已占據國內市場24%的份額,顯示出國產替代速度正在加快,并且在特種光纖、高功率光柵等關鍵光學器件上不斷實現研發突破。
激光產業下游市場主要指的是各種應用細分行業,其中,材料加工及光刻、光通信、數據存儲、測量及傳感器、醫療美容等都是重要開發領域,為各類終端客戶包括汽車制造業、3C電子、專業鈑金加工、航空航天、光伏、船舶重工、工程機械及軍工等提供先進的技術解決方案。
在工業應用中,與傳統加工方式不同的是,激光材料加工是利用光的能量通過凸鏡聚焦之后,在焦點上達到超高的能量密度來進行加工,整個過程不需要接觸加工物體的表面,具有加工速度快、表面形變小等特點,可對各種材料實現鉆孔、切割、切管、焊接、劃片、雕刻、打標、熱處理等加工工藝。大族激光、華工科技、聯贏激光、楚天激光、亞威股份、聯贏激光、海目星激光、邦德激光等都是現階段市場上的代表型企業。
圖1 中國工業激光市場規模預測(資料來源:Laser Manufacture News,單位:億元)
各類激光加工機開發的一大重點是自動化控制解決方案,穩定而高效的控制系統能夠保證高質量和高效率的激光加工效果。目前,在激光加工機領域,主控器以PC-Based控制為主,占市場80%以上的份額,這是因為激光加工大多數需要具備插補、多軸同步控制、運行高精度復雜軌跡等功能,使用PC-Based控制器成本較低,且可滿足復雜運動控制的要求,市場上主要的供應商包括柏楚電子、維宏股份、倍福、研華等等。除此之外,激光加工使用到的自動化產品還有伺服電機、變頻器、傳感器、HMI等。
圖2 激光產業鏈組成(資料來源:中信建投)
激光加工裝備行業的“質變”
近一年來,受到國內外經濟形勢的影響,激光加工裝備市場(包括打標、焊接、切割,光刻等等)的增速進一步放緩,市場競爭加劇,多數企業遭遇營收規模和盈利能力水平的下滑。2019年可以說是激光行業出現轉折的一年,經過前幾年的高速成長后,國內激光加工裝備市場增速開始減慢,實現銷售收入658億元,同比增長8.8%;2020年初,在新冠疫情影響下,行業開工不足、發貨延期,以及全球經濟走勢不確定因素增加,使得今年國內激光加工設備市場的發展令人堪憂。
為此,各大廠商正通過橫向拓展激光加工裝備業務產品線,來推動整體業務規模的持續增長;同時,隨著精密激光加工設備國產化的落地,一方面廠商鞏固顯示面板、3C電子等傳統行業的應用優勢,另一方面也積極開拓太陽能、半導體等高端行業市場,促進激光加工裝備業務規模實現新的跨越,推動行業從“量變”邁向“質變”的階段。
在技術層面,高功率激光加工設備在鋼材、幕墻、汽車等行業市場的應用量穩步提升;激光切割自動化加工單元增長迅猛,特別是三維五軸激光切割機解決了三維曲面、異性曲面等工件成型的“痛點”,其高精度、高速度、高柔性特性為行業應用注入了強大的活力;超大幅面的激光加工設備也是熱點之一;金屬材料高功率激光加工設備開始拓展至超快、超精密微納米級水平。此外,新興材料和新型結構的興起,激光焊接技術向高效新工藝轉變,以實現輕量化、整體化結構件制造、精密制造、低成本高效新工藝的需求方向轉變,尤其是一體化集成復合型激光焊接設備將是未來的主流趨勢。
激光切割是激光應用的重要領域,廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工生產中,切割質量更高、速度更快、柔性度也更高,大幅降低加工成本,提高工件品質。最近幾年,隨著上游激光切割頭、激光器和激光切割控制系統等核心部件的價格不斷下降,國產激光切割設備取得了長足的進步,市占率迅速提高,逐步替代金屬成形機床中的沖床、剪板機、剪切機床等傳統產品,并且一大批從事激光切割裝備制造的企業紛紛加入光纖切割陣營。根據相關數據統計顯示,2014-2018年,是國內激光切割設備市場的高速成長期,年復合增長率約為23.09%,2018年該市場規模達到243億元,但到了2019年,由于整體經濟環境的下滑,激光切割設備市場的增速放慢,市場規模約為266億元,預計到2023年,中國激光切割設備總體市場規模可達接近400億元。
激光焊接是發展較早的一個領域,產品種類有YAG激光焊接機、光纖激光焊接機、復合激光焊接機、機器人激光焊接站等等,可實現異種材料(不銹鋼、鋁合金、鎳等)焊接、不規則的焊接軌跡、優秀的焊接外觀,牢固的焊縫、更細致的焊接點以及更精準的定位焊接區域等,在目前手機零部件加工、新能源汽車動力電池等生產總發揮著重要的作用。此外,2019年興起的手持激光焊接適合各種規格金屬焊接,相比傳統氬弧焊,效率提升50%以上,光滑均勻,焊接后易打磨或無需打磨;靈活方便,操作簡單,無需專業焊工就能操作,可以實現戶外焊接作業。
值得關注的是,機器視覺+激光加工設備也是近年來創新的一個重點,其有助于對產品進行自動化和智能化的提升。例如:針對傳統激光行業中存在的問題,如夾具制作復雜、對小尺寸產品的打標和焊接精度無法把控、工作效率低下等缺點,一些廠商研發并且推出了視覺自動定位打標系統、視覺自動定位焊接系統,讓傳統的激光加工設備可以“看得見”,甚至可以無縫對接到工廠原有的流水線,實現實時打標等激光加工作業。
高精密直驅技術與激光加工
隨著自動控制技術和微型計算機的高速發展,用戶對激光加工的定位精度提出了更高的要求,這些使得直線電機技術開始被大量應用在激光加工領域中。一般來說,用于激光加工領域的直線電機模組主要由直線電機、防護裝置、驅動控制、檢測反饋四部分組成。
本質上,直線電機是把旋轉電機平放展開,并直接連接到驅動負載上,它能替代例如滾珠絲杠、齒輪與齒條、皮帶與皮帶輪和減速箱的所有機械傳動部分,從而消除了齒隙以及與機械傳動相關的問題,具有結構簡單、調速范圍寬、動態性能優良、定位精度高、安全可靠、運行噪聲低、無磨損、免維護以及無限行程等優點。
阿斯科納科技(深圳)有限公司是較早進入激光切割應用領域的企業之一,目前與西安光機所下屬的幾家企業都有長期合作,并逐步積累了豐富的針對激光加工工藝的開發經驗。與普通鈑金切割不同的是,精密激光切割從軌跡精度、加速/減速/勻速整個過程的跟隨誤差、軌跡插補形狀等等都有非常高的要求,阿斯科納憑借對激光加工工藝的理解和掌握,不斷為為高精密激光切割設備提供品質優秀的直線電機產品及模組。另外,在新型現代化線路版生產中,阿斯科納專門為激光直接成像設備(LDI)開發的定制化運動平臺產品也具有一定的優勢。傳統的電子線路板主要是靠飛林來做模板曝光,但飛林的精度有限,而且很容易變形;隨著智能手機等移動終端的尺寸越來越小,厚度越來越薄,高精度的線路板要求使用高精度玻璃模板,經過激光光刻之后,再腐蝕來制作成精密電子線路板,即線路板級的光刻。據介紹,目前,采用阿斯科納定制化運動平臺的激光直接成像設備,線路板線寬可達到8-20微米,且1米多行程可達到水平直線度在正負3微米之間,同時垂直直線度、平面度、正交性、角度扭擺、重復定位精度等性能指標都接近芯片級應用水平。
談到直驅技術在激光加工領域的發展前景,部分行業人士表示,智能制造的發展目標是高精度、高速度,要實現更高的響應速度,就需要打破傳統意義上位機軟件、控制、驅動和電機執行層之間的物理層級,特別是針對某些高精度加工工藝要求(如圓弧切割等),則可以在直驅電機平臺底層直接完成這些工藝步驟,讓直驅產品參與到激光加工的整套工藝中,提高系統的響應速度,而這也是直驅技術未來發展的重點之一;此外,機器視覺技術的導入,可以幫助設備進行校準,降低外部環境、溫度等因素對設備運行的影響,甚至可以在設備工作的過程中實時進行校準,不需要停機,從而提升生產效率,引領制造業向智能化方向邁進一大步。
另一方面,針對復雜或高價值的結構進行激光打標、高精密切割、鉆孔等操作,定制化組合運動平臺,如高精密的多維多軸定位及運動平臺是目前應用的一個需求熱點。例如Physik Instrumente(PI)開發的V-417系列XY配置線性平臺非常適用于激光加工應用,其定位精度只有幾微米,速度高達2米/秒,可實現輕松組合,以用于多軸應用。平臺硬蓋和側密封經過特殊設計,可防止灰塵或灼熱顆粒進入驅動和編碼器機械部件,高防護等級工業連接器和卡銷實現更高穩健性。由于經過特殊成形,其邊緣與軸承導向或運動方向的平行度(//)優于50微米,線性平臺在安裝過程中可輕松對準。其中,ACSEther CAT激光控制模塊的Ether CAT從站模塊提供多種功能,包括用于動態功率控制、輸出脈沖或選通信號(開關信號)的數字脈沖調制,后兩者與沿二維至六維運動路徑的位置或可編程操作區保持同步,該控制模塊可通過通用接口控制幾乎任何激光加工系統。
圖3 激光技術應用細分市場統計
新機遇新潛能
激光加工技術已經成為實現智能制造的一項重要手段,隨著5G時代的來臨,在手機制造過程中應用激光加工技術已越來越普遍,這類高精密化智能終端的升級換代,將為精密激光加工設備行業帶來巨大的經濟效益。其中,各種品質優秀的機電功能部件作為有力的技術支撐,也將發揮更大的作用,它們包括直驅技術產品和系統平臺、伺服電機、控制系統、機器視覺、工業應用軟件等等。
圖4 工業激光加工主要應用分類(資料來源:Laser Manufacture News)
與此同時,激光加工系統還會與機器人、數控技術、MES信息化,云計算等新技術不斷融合,提供面向設備制造商和終端工廠的云數據平臺系統,引領信息技術和激光工業進一步結合,拓展其他相關業務服務內容,打造出完整的激光加工生態圈體系。
值得一提的是,除了工業領域的材料加工之外,激光技術在醫療器械的生產應用開發同樣頗具潛力。例如,目前激光焊接技術在醫療器械領域(斑馬導絲、一次性使用取石網籃、一次性氣道導絲、鼻膽引流導管、內窺鏡、活檢鉗、抗癌放射性棒、心臟起搏器等)得到了廣泛的應用。一般來說,醫療器械產品的結構極其微小且工藝復雜,因此在這些器械生產、制造過程有著高安全性、高潔凈性、高密封性等條件的苛刻要求,而激光焊接技術正好能滿足這些加工需求,且與其他常用的焊接技術相比,激光焊接技術幾乎不產生焊渣和碎屑,焊接過程中更不需要添加任何粘合劑,因而可在潔凈室中完成整個焊接工作。激光加工技術正以其獨特的高精密性能特點和應用優勢,不斷開墾出一片更廣闊的創新天地。
中傳動網版權與免責聲明:
凡本網注明[來源:中國傳動網]的所有文字、圖片、音視和視頻文件,版權均為中國傳動網(www.hysjfh.com)獨家所有。如需轉載請與0755-82949061聯系。任何媒體、網站或個人轉載使用時須注明來源“中國傳動網”,違反者本網將追究其法律責任。
本網轉載并注明其他來源的稿件,均來自互聯網或業內投稿人士,版權屬于原版權人。轉載請保留稿件來源及作者,禁止擅自篡改,違者自負版權法律責任。
如涉及作品內容、版權等問題,請在作品發表之日起一周內與本網聯系,否則視為放棄相關權利。

關注伺服與運動控制公眾號獲取更多資訊

關注直驅與傳動公眾號獲取更多資訊

關注中國傳動網公眾號獲取更多資訊
- 運動控制
- 伺服系統
- 機器視覺
- 機械傳動
- 編碼器
- 直驅系統
- 工業電源
- 電力電子
- 工業互聯
- 高壓變頻器
- 中低壓變頻器
- 傳感器
- 人機界面
- PLC
- 電氣聯接
- 工業機器人
- 低壓電器
- 機柜