“光加工”时代到来, 传动部件迈向高精密化

文:中国传动网 组编/编辑部2020年第三期

激光加工产业作为智能制造领域内的一大重要技术分支,伴随着近年来消费者对电子产品提出的高续航力、高安全性和轻薄化、个性化等需求,使得产品的加工难度日益提升,加工工艺的升级迫在眉睫,于是乎,越来越多生产厂商将目光投向了激光加工技术,无论是传统制造业,还是新兴制造业,采用激光加工技术解决方案都已成为时下一个潮流趋势。根据专业机构Laser Manufacture News的调查统计,2018年中国工业激光与相关产品的市场规模约为855亿元,同比增长18.6%,与前几年相比,增长有所放缓;而在2019年复杂的经济环境下,市场增速保持在10%左右,市场规模约940亿元。面对2020年新冠疫情的爆发,在当前智能手机、汽车电子等重点终端下游市场受到严重影响的前提下,整体激光产业的发展同样挑战激增,市场走向变得扑所迷离。

“光加工”时代到来,传动部件迈向高精密化6.jpg

激光材料加工是重点市场

就现阶段整体激光产业链来看,上游主要包括激光材料和配套元器件,如激光晶体、激光灯、特种光纤、光学镜片、振镜等;中游主要是各种激光器及其配套加工设备,例如CO2激光器、光纤激光器、各种数控设备、机电设备、激光模块等等。从整体系统应用的成本来看,激光器作为光源,占激光装备总成本的30%-60%,美国相干、IPG、德国通快等巨头厂商处于行业领导者的位置;国内新冒升的锐科2019年已占据国内市场24%的份额,显示出国产替代速度正在加快,并且在特种光纤、高功率光栅等关键光学器件上不断实现研发突破。

激光产业下游市场主要指的是各种应用细分行业,其中,材料加工及光刻、光通信、数据存储、测量及传感器、医疗美容等都是重要开发领域,为各类终端客户包括汽车制造业、3C电子、专业钣金加工、航空航天、光伏、船舶重工、工程机械及军工等提供先进的技术解决方案。

在工业应用中,与传统加工方式不同的是,激光材料加工是利用光的能量通过凸镜聚焦之后,在焦点上达到超高的能量密度来进行加工,整个过程不需要接触加工物体的表面,具有加工速度快、表面形变小等特点,可对各种材料实现钻孔、切割、切管、焊接、划片、雕刻、打标、热处理等加工工艺。大族激光、华工科技、联赢激光、楚天激光、亚威股份、联赢激光、海目星激光、邦德激光等都是现阶段市场上的代表型企业。

“光加工”时代到来,传动部件迈向高精密化1.jpg

图1 中国工业激光市场规模预测(资料来源:Laser Manufacture News,单位:亿元)

各类激光加工机开发的一大重点是自动化控制解决方案,稳定而高效的控制系统能够保证高质量和高效率的激光加工效果。目前,在激光加工机领域,主控器以PC-Based控制为主,占市场80%以上的份额,这是因为激光加工大多数需要具备插补、多轴同步控制、运行高精度复杂轨迹等功能,使用PC-Based控制器成本较低,且可满足复杂运动控制的要求,市场上主要的供应商包括柏楚电子、维宏股份、倍福、研华等等。除此之外,激光加工使用到的自动化产品还有伺服电机、变频器、传感器、HMI等。

“光加工”时代到来,传动部件迈向高精密化2.jpg

图2 激光产业链组成(资料来源:中信建投)

激光加工装备行业的“质变”

近一年来,受到国内外经济形势的影响,激光加工装备市场(包括打标、焊接、切割,光刻等等)的增速进一步放缓,市场竞争加剧,多数企业遭遇营收规模和盈利能力水平的下滑。2019年可以说是激光行业出现转折的一年,经过前几年的高速成长后,国内激光加工装备市场增速开始减慢,实现销售收入658亿元,同比增长8.8%;2020年初,在新冠疫情影响下,行业开工不足、发货延期,以及全球经济走势不确定因素增加,使得今年国内激光加工设备市场的发展令人堪忧。

为此,各大厂商正通过横向拓展激光加工装备业务产品线,来推动整体业务规模的持续增长;同时,随着精密激光加工设备国产化的落地,一方面厂商巩固显示面板、3C电子等传统行业的应用优势,另一方面也积极开拓太阳能、半导体等高端行业市场,促进激光加工装备业务规模实现新的跨越,推动行业从“量变”迈向“质变”的阶段。

在技术层面,高功率激光加工设备在钢材、幕墙、汽车等行业市场的应用量稳步提升;激光切割自动化加工单元增长迅猛,特别是三维五轴激光切割机解决了三维曲面、异性曲面等工件成型的“痛点”,其高精度、高速度、高柔性特性为行业应用注入了强大的活力;超大幅面的激光加工设备也是热点之一;金属材料高功率激光加工设备开始拓展至超快、超精密微纳米级水平。此外,新兴材料和新型结构的兴起,激光焊接技术向高效新工艺转变,以实现轻量化、整体化结构件制造、精密制造、低成本高效新工艺的需求方向转变,尤其是一体化集成复合型激光焊接设备将是未来的主流趋势。

激光切割是激光应用的重要领域,广泛应用于金属和非金属材料的加工生产中,切割质量更高、速度更快、柔性度也更高,大幅降低加工成本,提高工件品质。最近几年,随着上游激光切割头、激光器和激光切割控制系统等核心部件的价格不断下降,国产激光切割设备取得了长足的进步,市占率迅速提高,逐步替代金属成形机床中的冲床、剪板机、剪切机床等传统产品,并且一大批从事激光切割装备制造的企业纷纷加入光纤切割阵营。根据相关数据统计显示,2014-2018年,是国内激光切割设备市场的高速成长期,年复合增长率约为23.09%,2018年该市场规模达到243亿元,但到了2019年,由于整体经济环境的下滑,激光切割设备市场的增速放慢,市场规模约为266亿元,预计到2023年,中国激光切割设备总体市场规模可达接近400亿元。

激光焊接是发展较早的一个领域,产品种类有YAG激光焊接机、光纤激光焊接机、复合激光焊接机、机器人激光焊接站等等,可实现异种材料(不锈钢、铝合金、镍等)焊接、不规则的焊接轨迹、优秀的焊接外观,牢固的焊缝、更细致的焊接点以及更精准的定位焊接区域等,在目前手机零部件加工、新能源汽车动力电池等生产总发挥着重要的作用。此外,2019年兴起的手持激光焊接适合各种规格金属焊接,相比传统氩弧焊,效率提升50%以上,光滑均匀,焊接后易打磨或无需打磨;灵活方便,操作简单,无需专业焊工就能操作,可以实现户外焊接作业。

值得关注的是,机器视觉+激光加工设备也是近年来创新的一个重点,其有助于对产品进行自动化和智能化的提升。例如:针对传统激光行业中存在的问题,如夹具制作复杂、对小尺寸产品的打标和焊接精度无法把控、工作效率低下等缺点,一些厂商研发并且推出了视觉自动定位打标系统、视觉自动定位焊接系统,让传统的激光加工设备可以“看得见”,甚至可以无缝对接到工厂原有的流水线,实现实时打标等激光加工作业。

高精密直驱技术与激光加工

随着自动控制技术和微型计算机的高速发展,用户对激光加工的定位精度提出了更高的要求,这些使得直线电机技术开始被大量应用在激光加工领域中。一般来说,用于激光加工领域的直线电机模组主要由直线电机、防护装置、驱动控制、检测反馈四部分组成。

本质上,直线电机是把旋转电机平放展开,并直接连接到驱动负载上,它能替代例如滚珠丝杠、齿轮与齿条、皮带与皮带轮和减速箱的所有机械传动部分,从而消除了齿隙以及与机械传动相关的问题,具有结构简单、调速范围宽、动态性能优良、定位精度高、安全可靠、运行噪声低、无磨损、免维护以及无限行程等优点。

阿斯科纳科技(深圳)有限公司是较早进入激光切割应用领域的企业之一,目前与西安光机所下属的几家企业都有长期合作,并逐步积累了丰富的针对激光加工工艺的开发经验。与普通钣金切割不同的是,精密激光切割从轨迹精度、加速/减速/匀速整个过程的跟随误差、轨迹插补形状等等都有非常高的要求,阿斯科纳凭借对激光加工工艺的理解和掌握,不断为为高精密激光切割设备提供品质优秀的直线电机产品及模组。另外,在新型现代化线路版生产中,阿斯科纳专门为激光直接成像设备(LDI)开发的定制化运动平台产品也具有一定的优势。传统的电子线路板主要是靠飞林来做模板曝光,但飞林的精度有限,而且很容易变形;随着智能手机等移动终端的尺寸越来越小,厚度越来越薄,高精度的线路板要求使用高精度玻璃模板,经过激光光刻之后,再腐蚀来制作成精密电子线路板,即线路板级的光刻。据介绍,目前,采用阿斯科纳定制化运动平台的激光直接成像设备,线路板线宽可达到8-20微米,且1米多行程可达到水平直线度在正负3微米之间,同时垂直直线度、平面度、正交性、角度扭摆、重复定位精度等性能指标都接近芯片级应用水平。

谈到直驱技术在激光加工领域的发展前景,部分行业人士表示,智能制造的发展目标是高精度、高速度,要实现更高的响应速度,就需要打破传统意义上位机软件、控制、驱动和电机执行层之间的物理层级,特别是针对某些高精度加工工艺要求(如圆弧切割等),则可以在直驱电机平台底层直接完成这些工艺步骤,让直驱产品参与到激光加工的整套工艺中,提高系统的响应速度,而这也是直驱技术未来发展的重点之一;此外,机器视觉技术的导入,可以帮助设备进行校准,降低外部环境、温度等因素对设备运行的影响,甚至可以在设备工作的过程中实时进行校准,不需要停机,从而提升生产效率,引领制造业向智能化方向迈进一大步。

另一方面,针对复杂或高价值的结构进行激光打标、高精密切割、钻孔等操作,定制化组合运动平台,如高精密的多维多轴定位及运动平台是目前应用的一个需求热点。例如Physik Instrumente(PI)开发的V-417系列XY配置线性平台非常适用于激光加工应用,其定位精度只有几微米,速度高达2米/秒,可实现轻松组合,以用于多轴应用。平台硬盖和侧密封经过特殊设计,可防止灰尘或灼热颗粒进入驱动和编码器机械部件,高防护等级工业连接器和卡销实现更高稳健性。由于经过特殊成形,其边缘与轴承导向或运动方向的平行度(//)优于50微米,线性平台在安装过程中可轻松对准。其中,ACSEther CAT激光控制模块的Ether CAT从站模块提供多种功能,包括用于动态功率控制、输出脉冲或选通信号(开关信号)的数字脉冲调制,后两者与沿二维至六维运动路径的位置或可编程操作区保持同步,该控制模块可通过通用接口控制几乎任何激光加工系统。

“光加工”时代到来,传动部件迈向高精密化3.jpg

图3 激光技术应用细分市场统计

新机遇新潜能

激光加工技术已经成为实现智能制造的一项重要手段,随着5G时代的来临,在手机制造过程中应用激光加工技术已越来越普遍,这类高精密化智能终端的升级换代,将为精密激光加工设备行业带来巨大的经济效益。其中,各种品质优秀的机电功能部件作为有力的技术支撑,也将发挥更大的作用,它们包括直驱技术产品和系统平台、伺服电机、控制系统、机器视觉、工业应用软件等等。

“光加工”时代到来,传动部件迈向高精密化4.jpg

图4 工业激光加工主要应用分类(资料来源:Laser Manufacture News)

与此同时,激光加工系统还会与机器人、数控技术、MES信息化,云计算等新技术不断融合,提供面向设备制造商和终端工厂的云数据平台系统,引领信息技术和激光工业进一步结合,拓展其他相关业务服务内容,打造出完整的激光加工生态圈体系。

值得一提的是,除了工业领域的材料加工之外,激光技术在医疗器械的生产应用开发同样颇具潜力。例如,目前激光焊接技术在医疗器械领域(斑马导丝、一次性使用取石网篮、一次性气道导丝、鼻胆引流导管、内窥镜、活检钳、抗癌放射性棒、心脏起搏器等)得到了广泛的应用。一般来说,医疗器械产品的结构极其微小且工艺复杂,因此在这些器械生产、制造过程有着高安全性、高洁净性、高密封性等条件的苛刻要求,而激光焊接技术正好能满足这些加工需求,且与其他常用的焊接技术相比,激光焊接技术几乎不产生焊渣和碎屑,焊接过程中更不需要添加任何粘合剂,因而可在洁净室中完成整个焊接工作。激光加工技术正以其独特的高精密性能特点和应用优势,不断开垦出一片更广阔的创新天地。

中传动网版权与免责声明:

凡本网注明[来源:中国传动网]的所有文字、图片、音视和视频文件,版权均为中国传动网(www.chuandong.com)独家所有。如需转载请与0755-82949061联系。任何媒体、网站或个人转载使用时须注明来源“中国传动网”,违反者本网将追究其法律责任。

本网转载并注明其他来源的稿件,均来自互联网或业内投稿人士,版权属于原版权人。转载请保留稿件来源及作者,禁止擅自篡改,违者自负版权法律责任。

如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

伺服与运动控制

关注伺服与运动控制公众号获取更多资讯

直驱与传动

关注直驱与传动公众号获取更多资讯

中国传动网

关注中国传动网公众号获取更多资讯

热搜词
  • 运动控制
  • 伺服系统
  • 机器视觉
  • 机械传动
  • 编码器
  • 直驱系统
  • 工业电源
  • 电力电子
  • 工业互联
  • 高压变频器
  • 中低压变频器
  • 传感器
  • 人机界面
  • PLC
  • 电气联接
  • 工业机器人
  • 低压电器
  • 机柜
回顶部
点赞 0
取消 0
往期杂志
  • 2024年第三期

    2024年第三期

    伺服与运动控制

    2024年第三期

  • 2024年第二期

    2024年第二期

    伺服与运动控制

    2024年第二期

  • 2024年第一期

    2024年第一期

    伺服与运动控制

    2024年第一期

  • 2023年第六期

    2023年第六期

    伺服与运动控制

    2023年第六期

  • 2023年第五期

    2023年第五期

    伺服与运动控制

    2023年第五期