Президент Лазерной ассоциации Иван Борисович Ковш любезно согласился принять участие в проекте «Индустрия 4.0 в станкоинструментальной отрасли» и ответить на вопросы журнала «РИТМ машиностроения».

 

Президент Лазерной ассоциации Иван Борисович Ковш

 

Каково место лазеров в Индустрии 4.0?

 

Индустрия 4.0 — это, по определению, производственная составляющая ожидаемой в настоящее время четвёртой промышленной революции, которая должна привести к массовому внедрению киберфизических систем в производство и обслуживание человеческих потребностей, включая быт, труд и досуг. Коротко говоря, Индустрия 4.0 — это массовое использование ориентированного на потребителя интернета вещей.

 

 

Четвёртая промышленная революция, которая сейчас прогнозируется, идёт на смену третьей — начавшейся в 80‑х годах прошлого века т. н. «цифровой революции», которая привела к распространению информационно-коммуникационных технологий, массовому использованию компьютеров, всеобъемлющему проникновению Интернета. Лазерная эпоха в развитии технологической инфраструктуры человечества началась именно на этапе третьей промышленной революции, поскольку использование когерентного лазерного излучения позволило организовать высокоскоростную передачу по оптическим волокнам огромных объёмов информации. Оптическая связь сделала возможным Интернет, лазерные технологии радикально изменили микроэлектронику, и именно на базе сверхкомпактных чипов, которые невозможно изготовить без использования лазерного луча, и оптической памяти были созданы персональные компьютеры. Третья промышленная революция проявилась также в реиндустриализации — переходе к высокопроизводительному экологически безопасному производственному оборудованию с высокой степенью автоматизации. Лазер и здесь сыграл важнейшую роль. Лазерные станки — для резки, сварки, сверления, локального модифицирования поверхностного слоя, маркировки и др. — широко применяются во всех обрабатывающих отраслях. По утверждению немецких экспертов, сегодня каждый четвёртый металлообрабатывающий станок, выпускаемый в Германии, — это лазерный станок. Лазерно-оптические системы прецизионных измерений, диагностики, тестирования подняли производство на новый уровень качества. Существенно, что лазерные технологии обеспечили возможность принципиально новых технических решений в различных областях человеческой деятельности. Это и аддитивные технологии, и беспилотный транспорт, и эндоскопическая хирургия — перечислять можно долго.

 

Индустрия 4.0 подразумевает продолжение и развитие широкого использования лазерного излучения, лазерных, оптических и оптоэлектронных технологий, которые сегодня объединяют термином «фотоника».

 

Пожалуйста, расскажите подробнее о роли лазера как инструмента в реализации технологий Индустрии 4.0.

 

Википедия указывает в качестве грядущих с четвёртой промышленной революцией технологий следующие: большие данные, интернет вещей, виртуальная и дополненная реальность, 3D-печать, печатная электроника, квантовые вычисления, блокчейн. Легко видеть, что все они основаны на технологиях фотоники, на её возможностях получать, регистрировать, хранить, передавать, обрабатывать и отображать огромные массивы информации, осуществлять с высокой скоростью и точностью разнообразные операции по обработке материалов и контролю процессов и изделий, управлять движением объектов и т. д. и т. п. Когерентное излучение с его возможностью широкого управления параметрами, концентрации во времени и пространстве, бесконтактного воздействия является уникальным инструментом, и Индустрия 4.0 будет активно использовать этот инструмент.

 

Назовите, пожалуйста, наиболее яркие приложения и впечатляющие достижения.

 

«Наиболее яркие» — это очень субъективно. Для кого-то это лазерное шоу на праздновании Дня города, а для кого-то лазерный пинцет, которым можно поворачивать и перемещать живую клетку не повреждая её. Поскольку лазерное излучение используется сегодня практически во всех областях и отраслях — от считывания штрих-кодов кассиром в магазине до стыковки космических кораблей, перечислять его яркие применения можно очень долго. Укажу лишь некоторые.

 

В обрабатывающей промышленности это универсальность лазера как инструмента для воздействия на материал. Варьируя параметры излучения в пятне фокусировки, можно получить локальный нагрев, расплавление, испарение, даже абляцию материала, соответственно, лазерные технологические установки обеспечивают резку, сварку, поверхностное упрочнение и очистку поверхностей, прошивку отверстий, маркировку, гравировку и др. К ярким достижениям последнего времени я бы отнёс создание универсальных резаков на основе лазеров, излучающих пикосекундные импульсы, с мощностью которых можно с высокой скоростью и точностью резать любой материал: металлы, керамику, кость, пластик, камень, и создание установок, реализующих лазерные аддитивные технологии, создание изделий со сложной пространственной структурой путем последовательного спекания порошков в микрообъёме лазерного нагрева. То, что много лет обещали нанотехнологи, сделали лазерщики. Ещё одно впечатляющее достижение — сварка пикосекундным лазером стекла с металлом, которую продемонстрировали недавно в Шотландии.

 

В информатике очень впечатляющим выглядит быстрое развитие квантовых технологий. От демонстрации отдельного кубита буквально за несколько лет продвинулись к демонстрации вычислений на макете квантового компьютера.

 

Отдельным и очень быстро развивающимся направлением стала лазерно-оптическая сенсорика, которая создала удобные инструменты и для диагностики опухолей в онкологии, и для дистанционного контроля состояния мостов газопроводов и т. п., и для охраны режимных объектов, и для экспресс-определения наличия в воздухе опасных веществ и даже для рассматривания предметов «за углом». Распознавание лиц в потоках людей, которое сегодня широко внедряется, — это ведь тоже использование оптических сенсоров. А возвращаясь к световым шоу, нельзя не вспомнить, что наилучшее качество изображения при демонстрации кинофильмов (яркость, контраст, разрешение) обеспечивают сегодня лазерные проекторы, использующие излучение на трех длинах волн — красное, зелёное, голубое.

 

Очень интересные перспективы открыл лазерный луч в сельском хозяйстве. Управление ростом и развитием растения с помощью облучения его на «правильных» длинах волн в правильно подобранные моменты времени позволяет существенно увеличить его продуктивность, устойчивость по отношению к заболеваниям, неблагоприятным погодным условиям и значительно снизить потребность в пестицидах и удобрениях, используемых для этих же целей. Все мы хотим возвращения к чистым продуктам, к органическому земледелию, и фотоника может существенно помочь в достижении этой цели. Впечатляющее достижение последних лет — создание так называемых вертикальных теплиц, которые можно разместить в городских строениях и которые обеспечивают очень высокую урожайность за счёт использования управляемого облучения растений монохроматическим излучением на нужной длине волны. Используются для этой цели светодиоды.
Можно много рассказывать о достижениях фотоники в медицине, экологическом мониторинге, обеспечении безопасности, но это уведёт нас далеко от основной темы.

 

 

Как бы вы охарактеризовали современный уровень лазерной техники? И каков тренд?

 

Лазерная техника достигла очень высокого уровня развития. На рынке доступны источники лазерного излучения в широком диапазоне длин волн — от ВУФ до ТГц, мощностей — от мкВт до десятков кВт, длительностей импульсов — от непрерыва до фемтосекунд — с высокой стабильностью и ресурсом, который измеряется уже годами и вполне сравним с ресурсом обычного «нелазерного» производственного оборудования — станков, кабелей, транспортных средств. К числу главных трендов в работах по новым лазерным системам я бы отнес концентрацию усилий на трёх типах лазеров — полупроводниковые (диодные) и накачиваемые диодными твердотельные и волоконные, а также разработку коммерческих лазеров с новыми параметрами только под потребности конкретных применений. Потребности становятся всё более изощрёнными. Например, для некоторых режимов обработки материалов требуется не просто ультракороткий импульс, но импульс с заданным временным профилем. Разработчики пока справляются со всеми задачами, на рынке можно найти широчайшее разнообразие лазерных источников излучения. Суммарный объём их годовых продаж уже близок к 15 млрд долл. в год.

 

В последние 10–15 лет одним из главных игроков на мировом рынке фотоники стал Китай, который сегодня является лидером этого рынка по объёму годовых продаж и одновременно одним из наиболее активных покупателей, поскольку бурное развитие экономики КНР вызвало активный спрос на лазерно-оптическую технику. Китай развил собственное производство всех типов лазеров и их комплектующих, и по качеству многие из них уже сравнимы с лучшими мировыми образцами. В 2015 г. в КНР было объявлено о начале «золотой декады» лазерных технологий, и можно ожидать, что именно китайские компании к 2025 году выйдут на ведущие позиции по большинству позиций номенклатуры лазерных источников излучения.

 

 

Как изменяются тенденции в спросе на лазерное оборудование?

 

Общие требования к лазерному оборудованию, которые предъявляют его пользователи, те же самые, что и для любого производственного оборудования: надёжность, высокая производительность, низкое энергопотребление, компактность, простота обслуживания, приемлемая цена. По этим параметрам в последние годы в явные лидеры вышли технологические установки на основе волоконных лазеров, которые сильно потеснили на рынке бывшие ранее самыми массовыми станки на основе CO2‑лазеров. Выгодно отличаясь малыми размерами, высоким КПД и отсутствием необходимости в настройке, волоконные лазеры стали сегодня самыми популярными у интеграторов лазерных технологических систем.

 

В последние годы существенно продвинулись работы по созданию технологических установок на основе мощных полупроводниковых лазеров, имеющих ещё более высокий КПД. Сборки лазерных диодов уже обеспечивают многокиловаттное излучение. По качеству оно уступает тому, которое обеспечивают волоконные и твердотельные лазеры, но методы суммирования лучей быстро развиваются, и можно ожидать в ближайшем будущем появления коммерчески доступных промышленных диодных лазеров для прецизионной резки и сварки металла. Для поверхностного упрочнения такие лазеры уже есть.

 

Мощность и КПД — это основные, но не единственно важные параметры технологического лазера. Большое значение имеет качество генерируемого им излучения, а также возможность реализовать различные распределения интенсивности внутри пятна фокусировки этого излучения. Возможность получить не просто осесимметричный пучок излучения, и не только Гауссов пучок, а что-то более сложное, лучшее отвечающее конкретной задаче необходимого воздействия на материал, что может существенно увеличить эффективность такого воздействия.

 

Примером может служить, например, локальная поверхностная термообработка для упрочнения поверхностного слоя стали. Ее можно делать быстро осциллирующим поперёк дорожки упрочнения лучом, а можно придать лучу специальную форму — полоска с существенным увеличением интенсивности на краях. Обработка полосковым лучом, как было уже давно показано, даёт более однородное упрочнение и более высокую энергетическую эффективность процесса.

 

Возможность управлять распределением интенсивности в пучке излучения делает лазерную установку более универсальной, пригодной для реализации большего числа режимов и даже различных технологических процессов. Весьма перспективными для такого управления представляются полупроводниковые лазеры с составным выходным пучком и твердотельные дисковые лазеры.

 

Лазерный станок в силу универсальности стал основой для разного рода лазерных джобшопов. Новые возможности, видимо, будут порождать новые производственные формы?

 

Лазерные мастерские — job-shop — выполняют обычно одну-две лазерные технологические операции массового спроса, чаще всего резку листа, к которым может быть добавлена дополнительная обработка, например, гибка листа и покраска готового изделия. Экономическая эффективность джобшопа определяется наличием заказчиков и диапазоном возможностей имеющегося лазерного оборудования. В первую очередь — наличием постоянных заказчиков. Российский опыт однозначно свидетельствует, что лазерные джобшопы, созданные на Урале в окружении действующих заводов, оказались существенно более успешными, чем такие же по возможностям в московском регионе, где заказчиками были в подавляющем большинстве малые предприятия, заказы каждого из которых можно было выполнить за несколько дней.
Расширение возможностей лазерного технологического оборудования, готовность принимать заказы на обработку материалов различной толщины, в различных геометриях, в том числе изделий больших габаритов, обеспечивать повышенную точность должно увеличить, конечно, число заказов, получаемых джобшопом, если есть потенциальные заказчики.

 

Следующим шагом в развитии формата job-shop является сочетание функций стандартной обработки и разработки технологического процесса для какого-то изделия, то есть переход к инжиниринговому центру. В таком центре должны работать не только операторы лазерных станков, но и инженеры-технологи, способные провести необходимые опытные работы и создать технологию изготовления изделия, нужного заказчику. Пять таких центров было создано в России в 2005–2008 годах Лазерной ассоциацией совместно с немецкими коллегами на основе полученных из Германии технологических лазеров. Они вполне себя оправдали.

 

Следующей формой должен быть научно-образовательный центр, в котором есть выполнение заказов и на стандартную обработку известных материалов, и на разработку новых технологических процессов, и на подготовку кадров, способных использовать такие процессы. Примером может служить Германия, где такие центры есть в каждой федеральной земле.

 

Для развития формата регионального лазерного инновационно-технологического центра более важным является всё-таки не уровень технических характеристик лазерного оборудования, а состояние промышленности в этом регионе, её спрос на инновационные технологии.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 9-2019