Немецкие производители лазеров и лазерного оборудования являются лидерами мирового рынка и мировых технологий. Нижеследующее дает обзор ключевых областей применения.

Причины успеха лазера

История успеха лазера основана в первую очередь на множестве преимуществ, которые он предлагает по сравнению с другими технологиями производства, будь то технические или бизнес. Основные аргументы в пользу использования лазера, который в конечном итоге приводит к экономии затрат и времени для пользователя, заключаются в простой автоматизации, высокой гибкости, точности, повышенной производительности и, наконец, инновационном потенциале этой технологии.

Для более высоких уровней автоматизации и производительности на современных производственных линиях требуются инструменты, отвечающие этим требованиям, в том числе с точки зрения строгих затрат и качества. Лазеры имеют очень компактную конструкцию и благодаря стандартизированным и современным интерфейсам могут быть очень легко интегрированы в существующую производственную установку. Еще одно преимущество заключается в том, что лазеры работают без контакта — лазерный процесс практически не изнашивается. Однако свет как инструмент чрезвычайно гибок не только в вопросах автоматизации: настраиваемые параметры обработки означают, что самые разнообразные материалы различной толщины и геометрии могут обрабатываться без заметных задержек. Высокая технологическая гибкость достигается, например, с помощью лазера, который внутри одной производственной станции выполняет задачи резки и сварки, или маркируется даже партия с размером, равным одному, после простого изменения программы.

Кроме того, лазер выполняет более высокие требования, основанные на таких тенденциях, как миниатюризация, индивидуализация, отслеживание или повышение качества: благодаря его чрезвычайно высокой точности можно изготавливать ультрамалые компоненты с минимальным подводом тепла и максимальной воспроизводимостью. Чем меньше деталь, тем больше лазер может показать себя с пользой.

Кроме того, лазерная технология представляет очень высокий инновационный потенциал: часто использование этой технологии приводит к значительному улучшению свойств продукта и является первым существенным шагом на пути к реализации новых продуктов. Также инновационные, более экономичные методы производства реализуются лазером: например, современные дисковые лазеры могут резать стекло с таким высоким качеством кромки, что традиционный процесс полировки больше не применяется.

И последнее, но не менее важное, свойство лазера обеспечивает производительность: большие размеры партий и количество деталей могут быть реализованы в чрезвычайно экономичной степени.

Огромная выгода для пользователя

Лазер используется преимущественно в машиностроении, автомобилестроении, производстве полупроводников и электроники. Тем не менее, сегодня в медицинской технике, упаковочных технологиях, аэрокосмической отрасли и во многих других областях используются преимущества лазера. Будь то медицина, исследования, приборостроение или телекоммуникации, лазеры стали неотъемлемой частью нашей жизни, и многие вещи, которые мы используем каждый день, были бы невозможны без них. С ростом возможностей развертывания требования к лазерам становятся все более разнообразными. Чтобы удовлетворить самые разнообразные требования промышленности, также требуется широкий спектр решений от производителей лазеров. То, что в небольшом масштабе представляет собой различные установки параметров для отдельных лазеров, с помощью которых их применение может быть приспособлено к конкретному материалу или заготовке, в более широком масштабе является необходимостью предоставления совершенно разных типов и технологий лазеров, чтобы сделать возможным постоянно увеличение количества заявок.

Между тем лазер стал своего рода черным ящиком в машиностроении. Изначально используемые для соединения только простых, вращательно-симметричных деталей, таких как компоненты автоматической коробки передач, лазеры в автомобильной промышленности сегодня обрабатывают целиком весь корпус. Сварные швы на крышах и дверях, 3D-обрезки гидроформованных компонентов, закаленные дверные пружины или маркированные элементы управления в дневном и ночном дизайне деталей — это лишь несколько примеров из ряда применений.

Лазерная маркировка уже давно применяется в полупроводниковой и электронной промышленности: может быть достигнута чрезвычайно высокая скорость маркировки — до 1200 символов в секунду. Уже ультрамалые символы 0,2 мм, невидимые невооруженным глазом, относятся к стандарту. Не только основные рынки лазерной обработки, но и большое количество других секторов приняли лазер в качестве инструмента для производства.

Например, медицинская инженерия, где лазер создал широкий спектр применений. Ультратонкая лазерная резка микротрубок для изготовления стентов и медицинских имплантатов — это современный уровень техники. Лазерная сварка освоила не только металлы, но и пластмассы для растущего числа новых применений в медицинской технике. Один из примеров включает сварку слуховых аппаратов: Свет как  инструмент имеет низкое тепловыделение и поэтому может использоваться для сварных швов вблизи чувствительных электронных компонентов и для невидимых и, следовательно, высокоэстетичных соединений. Лазерная технология также стала незаменимой в зубной технике: лазеры, используемые для сварки коронок и мостов, заменяют собой обычную пайку, использование которой из-за присадок создает проблемы биосовместимости.

Доминирующая область применения — лазерная резка

По-прежнему являясь крупнейшим рынком, лазерные станки для гибкой листовой обработки продолжили тенденцию к увеличению скорости обработки и большей автоматизации. Круг клиентов здесь очень широк и простирается от подрядчика по работе до крупного международного предприятия.

Тенденция к более высокой производительности лазера также сохраняется для лазерной резки при обработке гибкого листового металла. Это продолжает оставаться рынком с самым высоким оборотом для лазерных систем. После того, как класс мощности лазера 5 кВт уже завоевал самую большую долю рынка для систем лазерной резки, класс 6 кВт теперь также показывает обнадеживающие цифры продаж.

Дополнительная производительность может быть увеличена на 40%. Для пользователей повышенная гибкость является наиболее важным преимуществом, полученным благодаря дополнительной производительности, поскольку она обеспечивает как более высокую скорость резки, так и более толстые листы. Алюминий можно резать до 15 мм, а нержавеющую сталь — до 25 мм. Более того, новые стратегии резки, такие как FlyCut (дистанционная резка, прим. пер.) с позиционированием по контуру, позволяют повысить производительность. Помимо СО2-лазеров с продольной прокачкой, для резки также используются лазеры с диффузионным охлаждением, особенно в классе с низкой производительностью от 2 до 3,5 кВт. Важное развитие можно увидеть в гибкой обработке труб и секций для новых недорогих и универсальных элементов дизайна. Мы можем ожидать, что эта область, как дополнение к области плоского листа, будет испытывать сильный рост в течение следующих нескольких лет.

Некоторыми примерами повышения автоматизации являются компоненты автоматизации для автоматической смены, а также автоматическая загрузка и снятие заготовок. Общие преимущества обработки различных материалов с помощью лазеров, такие как сокращение объема доводочных работ и последующих процессов или повышение качества процесса, служащее для минимизации материалов, веса и затрат, улучшаются, особенно в периоды кризисной производительности и конкурентоспособности.

Лазерная сварка расширяет технологическую цепочку листового металла

Лазерная сварка является основным растущим рынком гибкой обработки листов. Удлинение технологической цепочки для листового металла с помощью лазерной сварки обеспечивает огромный потенциал увеличения производительности даже при малых и средних партиях. Преимуществами лазерной сварки являются не только более высокие скорости процесса, но и высокое качество сварных швов. Время доводки после сварки значительно сокращается. Благодаря доступности стандартизированной системной технологии, модульной технологии сварочных зажимов и каталогизированных технологических данных, лазерная сварка в настоящее время прочно зарекомендовала себя как экономичная альтернатива традиционным методам соединения.

3D лазерная резка продолжает достигать наибольшего объема для единичного применения, в настоящее время она значительно сократилась до менее половины продаж, достигнутых с помощью CO2 и твердотельных лазеров, мощностью свыше  500 Вт. Одна из решающих причин — это, прежде всего, развитие рынка лазерной сварки в массовом секторе. Методы лазерной сварки в настоящее время квалифицированы во всех важных секторах, и многие приложения были созданы в течение многих лет.

Особую положительную динамику по-прежнему демонстрируют сегменты сварки и трехмерной резки. В судостроении впервые с помощью лазеров сваривается до 90% стали, используемой для корабля, — всего около 200 км сваренного лазером шва. В авиации лазер также находит все более широкое применение. Например, процесс сварки стрингеров, уже успешно внедренный на Airbus A318, также используется на новом крупногабаритном Airbus A380 для экономии веса, затрат и времени. По сравнению с традиционной клепкой сварные швы также более стабильны и менее подвержены коррозии.

Важные области применения для лазерной сварки и 3D лазерной резки находятся в автомобильной промышленности. За последние несколько лет увеличение количества лазерных источников в кузовных цехах и изготовление индивидуальных заготовок и гидроформованных компонентов способствовало значительному росту продаж. Мы оцениваем базу немецких лазерных источников в этих секторах по всему миру в четырёхзначных цифрах. Столь же большое количество лазерных источников устанавливается дополнительно на заводе для производства, например, трансмиссий, сцеплений, подушек безопасности, систем впрыска топлива, выхлопных систем и т. д. В то же время продолжает расти и спектр применения, особенно на заводах-поставщиках. В настоящее время во всем мире широко используется лазер для производства кузовов автомобилей, особенно в Европе. Важным достижением в этом отношении может стать лазерная сварка алюминиевых каркасов Audi.

Лазерная сварка в производстве кузовов получила новый импульс благодаря технологии дистанционной сварки со сканатором. Исследование под названием «Завтрашнее автомобильное производство», проведенное McKinsey совместно с лабораторией станков университета RWTH Aachen, которое было представлено в выдержках, изучило важность дистанционной сварки для автомобильной промышленности. Исследование показало, что использование дистанционной лазерной сварки может снизить инвестиционные затраты на 30 процентов и сократить время цикла на 60 процентов. Требуемая производственная площадь будет на 50 процентов меньше. В исследовании прогнозируется, что до 2015 года дистанционная сварка может достигать десяти процентов от числа методов соединения.

При дистанционной сварке зеркало сканатора направляет лазерный луч в рабочую зону на расстояние до одного метра. При этом время позиционирования настолько сокращается, что становится практически незаметным. Однако важным предварительным условием для дистанционной сварки являются источники луча с высоким качеством луча. До настоящего времени особенно CO2-лазеры использовались в стационарных сканаторных системах.

С момента появления высокопроизводительных дисковых лазеров в 2005 году теперь будут также доступны твердотельные лазеры, отвечающие требованиям для дистанционных сварочных систем в отношении производительности и качества. В сочетании с лазерными волоконными кабелями и роботами, дисковые лазеры для трехмерных задач могут быть использованы для создания так называемых «Robscan» или «сканаторных сварочных систем». Первое в истории использование Robscan в серийном производстве было уже осуществлено DaimlerChrysler.

Кроме того, экономическая эффективность применения твердотельных лазеров повышается за счет так называемых «лазерных сетей» или соединения различных рабочих станций с одним или несколькими лазерными источниками для оптимального использования лазера. В то же время эти лазерные сети улучшают гибкость для пользователей.

Конкретным примером лазерной обработки в автомобильной промышленности, как уже упоминал г-н Лейбингер, является новый метод лазерной зачистки заготовок, изготовленных из высокопрочной стали. Поскольку высокопрочная сталь деформируется при температурах более 900 ° C, для деталей требуется специальное покрытие для защиты от образования нагара и коррозии, которое необходимо удалить в области шва для обеспечения возможности сварки. Эта процедура выгодна в двух отношениях: сталь, которая имеет более высокий предел прочности на разрыв, чем обычная сталь, затем может быть использована для высокотемпературных профилированных заготовок, на которых должен быть удален защитный слой в области шва для проведения сварки. Эта процедура выгодна в двух отношениях: сталь, которая имеет более высокий предел прочности при растяжении, чем обычная сталь, затем может использоваться для высокотемпературного формованных заготовок, что приводит к уменьшению толщины стальных листов и, таким образом, к экономии как веса, так и топлива. , Помимо этого, производительность по сравнению с обычными методами пескоструйной очистки может быть значительно увеличена.

Лазерная микрообработка

Лазерная микротехнология — это область очень динамичного роста благодаря тенденции к миниатюризации в области электроники, полупроводникового производства или медицинской техники. Например, для производства мобильного телефона можно использовать более десятка различных лазерных приложений для уменьшения веса и размера. Микроприложения (Micro-applications) — это термин, обозначающий работу, требующую высочайшей точности для мельчайших компонентов. Типичные области применения включают шовные и точечные сварные швы, наплавку, точную и ультраточную резку, скрайбирование, сверление, пайку, деструкцию, гравирование, тримминг и перфорацию.

Системные решения охватывают весь спектр от полностью автоматизированного производственного цеха до площадок для ручной сварки, с приложениями в автомобилестроении (для сварки форсунок для впрыска топлива), для изготовления пресс-форм (для гравировки и ремонта литьевых форм), электроники (для сварки корпусов аккумуляторных батарей) и медицины (для резки коронарных стентов), сварки швов алюминиевых аккумуляторных контейнеров  или сварки DRAM для повышения тактовой частоты и минимизации требований к поверхности.

Для поиска решений могут быть использованы наиболее разнообразные подходы, которые варьируются от отклонения и распределения лазерного излучения с помощью оптических волокон до быстрого позиционирования луча с помощью гальванометрических зеркал. Эти решения могут использоваться для маркировки, часто в сочетании с видеосистемами для определения положения деталей и для точной коррекции пути лазерного луча.

В частности, область лазерного перфорирования обладает высоким потенциалом применения. Так, сегодня можно использовать специальный СО2-лазер и адаптированную систему оптической обработки для перфорации 500 000 отверстий в секунду в движущейся бумаге из пластиковых тканей. Приложения включают бумажные наконечники  для сигарет и пластиковую пленку для упаковочных целей.

Здесь упоминается упрощение открытия упаковки по определенной линии или тот факт, что воздухообмен делается возможным без изменения влажности внутри обернутых товаров. Появляется возможность обеспечения о длительной долговечности пищи.

Важными областями применения сверхточной лазерной резки являются производство полупроводников, микроэлектроника и медицинские технологии. Здесь высокая точность, скорость обработки, небольшая зона термического влияния, гибкость и отсутствие износа лазера как инструмента, в частности, составляют положительные аспекты для его использования.

Представлены мощные лазеры с диодной накачкой

Твердотельные лазеры с диодной накачкой с выходной мощностью в несколько киловатт становятся все более популярными на рынке, однако проникновение на рынок происходит медленнее, чем прогнозировалось. С другой стороны, твердотельные лазеры с диодной накачкой с более низкой выходной мощностью были очень успешными в течение многих лет в секторе маркировки. Дисковые лазеры с выходной мощностью в киловатт (твердотельный лазер с диодной накачкой с дискообразным кристаллом и особенно высоким качеством излучения) в настоящее время также доступны на рынке и находят большой отклик в прикладных отраслях.

В последние годы диодные лазеры для прямой работы завоевали прочные позиции в технологических применениях лазерных  источников. Все больше и больше этих чрезвычайно компактных и практически не требующих обслуживания лазеров используются в промышленном производстве для сварки тонких металлических листов, для упрочнения, пайки и обработки пластмасс.

Возможность сварки пластмасс лазерами породила новую сферу деятельности, которая успешно развивалась. Пластиковые воздуховоды кондиционирования воздуха для задних сидений автомобилей соединяются с помощью лазера, а датчики столкновения, сделанные  лазерной сваркой, передают спасательный сигнал на (сваренный лазером) детонатор (вырезанной лазером) подушки безопасности. Также минимальный подвод тепла, чистые поверхности и абсолютно плотная сварка являются характерными и многообещающими особенностями лазерной сварки.

Лазерная сварка пластмасс всех цветов

В последние годы лазерная сварка пластмасс стала общепризнанной формой технологии соединения. Помимо превосходного качества сварного шва — с почти такой же прочностью, как у основных материалов, — другими положительными факторами для лазерного  по сравнению с обычными методами являются низкая механическая и тепловая экспозиция компонентов и простые конструкции сварных соединений деталей. Благодаря специальным лазерным методам передачи энергии окраска компонентов играет решающую роль. Черные или довольно темные компоненты сравнительно легко обрабатывать с помощью лазера, в то время как яркие или даже прозрачные детали все еще представляют проблему для процесса лазерной сварки.

На выставке пластмасс  в октябре 2004 года совместное предприятие отдела пигментов BASF, производителя станков для пластмассового производства Treffert и производителя лазеров впервые представило миру особый тип лазерных добавок — Lumogenes IR — которые теперь позволяют сваривать любые комбинации цветов. В диапазоне NIR максимальное поглощение этих  красителей примерно такое же, как у обычной длины волны лазера (808 нм). Кроме того, остаточное поглощение в видимом диапазоне минимально, так что эти добавки можно использовать для почти нейтрального смешивания цветов. Кроме того, светящиеся красители выполняют все необходимые условия. Кроме того, Lumogenes красители удовлетворяют всем необходимым условиям, таким как испытания на токсичность, светостойкость, стабильность при миграции и т. д.

Ожидается, что сварка ярких или прозрачных пластмассовых деталей найдет готовый рынок, особенно в области медицинской техники, электроники и ухода за людьми.

Лазерная наплавка и ремонтная сварка  показывают преимущества

Перспективным применением лазеров является изготовление пресс-форм для литья под давлением, а также формообразующие и вырубные штампы. Они подвержены сложным нагрузкам, приводящим к ухудшению, вызванному коррозионным износом, и, следовательно, должны часто ремонтироваться, исправляться или переделываться. Классические методы наплавки, такие как сварка TIG, MIG, MAG или плазменная сварка, могут привести к деформации или даже растрескиванию из-за высокой температуры, водимой в заготовку, и в любом случае могут привести к существенной переделке. Кроме того, обычные методы практически не позволяют разрабатывать тонкие структуры. При лазерной наплавке и ремонтной сварке с присадочным материалом подвод тепла минимален, поэтому деформация при нагревании, структурные изменения в основном материале и требования к доработке незначительны. Отдельные экономические выгоды являются результатом резкого сокращения времени обработки. Даже филигранные структуры могут быть созданы.

Лазерная эрозия при изготовлении пресс-форм резко сокращает время поставки

Большой потенциал для создания тонких филигранных структур, где фрезерование становится все более трудным, а для электроэрозионной обработки часто требуется большое разнообразие электродов, также предлагается лазерной эрозией при изготовлении литьевых форм. Лозунг «быстрый инструмент» становится реальностью: данные CAD могут быть преобразованы непосредственно в программы обработки, и даже специальные материалы, такие как твердосплавные металлы и керамика, могут быть эффективно обработаны. Форма, для которой ранее требовалось более 30 электродов EDM и приблизительно 120 часов работы работа завершена в течение 7 ч. Для больших форм подходит комбинация фрезерования и лазерной обработки.

Гравировка пластин Intaglio (стальная гравировка)

Совместно с австрийским Austrian Bank Note и Safety Print GmbH (OEBS) был разработан метод прямой гравировки на листах при глубокой печати. Эта технология является методом гравировки, который сочетает в себе возможности штамповки с возможностями печати. До сих пор этот метод все еще включает довольно сложное травление. Благодаря лазерной гравировке время изготовления пластин может быть значительно сокращено. Этот метод, который намного более экологичен, чем химическое травление, также позволяет использовать дополнительные функции безопасности при печати защищенных документов.

Очистка поверхности с помощью лазеров

Основной принцип этой технологии прост: чрезвычайно короткий лазерный импульс очень высокой мощности ударяет по удаляемому слою. Энергия, действующая подобно удару, не может быть рассеянной посредством теплопроводности, но снимает покрытие с очищаемой поверхности, как будто взрывом. Этот метод находит применение сегодня в ряде операций по очистке и удалению покрытий в различных промышленных областях. К ним относятся нишевые применения, такие как удаление слоев с тормозных магистралей, а также обработка плоских кабелей, очистка пресс-форм в вулканизации или шинной промышленности или очистка зданий и произведений искусства. Одна только лазерная эрозия предлагает ряд дополнительных средств развертывания, таких как безвредное удаление слоев краски в авиационной промышленности.

MLBA резка стекла

Этот новый метод позволяет резать стекло YAG лазерными источниками. В этом методе лазерный луч многократно пропускается через стеклянную подложку выше и ниже стеклянного диска. Это повторное перемещение в конечном итоге обеспечивает поглощение всей энергии лазера и равномерное нагревание стекла по всей его толщине. Режущая кромка имеет гладкую поверхность и во многих случаях не потребует дополнительной отделки. Способ запатентован. В последнее время из Азии также возник ряд импульсов в отношении новых областей применения. Например, новым является лазерная резка стекла для плазменных дисплеев (PDP) с использованием твердотельных лазеров. Эта специальная процедура обеспечивает исключительно высокое качество. Аналогично, структурирование поверхности плазменных экранов часто осуществляется с помощью лазеров. Сектор бытовой электроники, как правило, обладает высоким потенциалом роста, так как лазер, скорее всего, будет вовлечен в производство iPod, MP3-плеера или мобильного телефона. Большинство SD-карт нарезаются с помощью лазера, а многие аккумуляторы мобильных телефонов маркируются или свариваются с помощью лазера.

Обработка солнечных батарей

Еще одна область применения со значительным потенциалом в настоящее время иллюстрируется обработкой солнечных элементов. Массовое продвижение солнечных батарей происходит не только с момента публикации отчета о защите климата  в Европе, США и Китае. Возможности применения простираются от резки или металлизации  и до маркировки, лазерного фрезерования или изоляции кромок и обычно достигаются с помощью твердотельных лазеров малой мощности.

Другие специальные приложения

В качестве «проверенных достижений» резка SMD-шаблонов, сварка аккумуляторов и работа в ювелирной промышленности. Это всего лишь несколько новых тенденций в области применения лазеров, и по желанию можно привести дополнительные примеры. Однако несомненно то, что возможности использования света как инструмента далеко не исчерпаны. Это наша задача, наряду с предоставлением как можно большего спектра существующих и новых технологий, начиная с системных решений и прикладного опыта, и не только оптимизируя уже созданные приложения, но и готовя новые инновационные приложения для отрасли.

 

Источник