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2021激光加工及智能制造技术论坛闭幕, 这些热点趋势值得关注

来源:荣格-《国际工业激光商情》 发布时间:2021-10-09 1080
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 研讨会报道
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智能化装备的特点有深度学习、过程认知和工艺控制。

9月9日,由荣格工业传媒主办的“2021激光加工及智能制造技术论坛”在上海成功举办。此次会议共吸引了200多位来自汽车、航空、船舶、自动化等多个行业的用户企业参会。同期还举办了“2021激光加工行业—荣格技术创新奖”颁奖典礼。会议现场,来自不同行业的12位专家和企业高管就激光加工行业的热点话题和技术趋势,与现场嘉宾进行了交流和探讨。


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荣格工业传媒会议部总监邵敏女士在致辞中表示,激光加工凭借高效率、低维护运营成本等优势,逐渐受到制造企业的青睐,以替代传统加工方式,给行业也带来了革命性的转变,加快升级换代的速度。对于激光企业而言,抓住历史机遇,就是把握市场先机。在政策扶持和市场利好的双重驱动下,相信激光加工行业将迸发出新的活力。

智能低碳,未来趋势


上海市激光技术研究所总工程师张伟教授在题为《智能制造趋势下,先进激光加工应用及展望》演讲中谈到,根据国外市场调研机构预测,2021年全球激光器市场总值有望达到近185亿美元,同比2020年增长率为15.5%,表现强劲。从应用领域看,目前仍以材料加工与光刻、光通信与光储存、科研与军用、医疗与美容、仪器仪表与传感器,娱乐显示与打印。具体而言,材料加工与光刻、通信与光存储仍是激光器市场应用最重要的两大市场。


智能化装备的特点有深度学习、过程认知和工艺控制。其中,深度学习和过程认知是前提,工艺控制是关键。智能化焊接设备可以基于材料对象,自动捕获最优的加工工艺参数,整个过程闭环处理,并可以实时监控。这样一种加工过程也是智能化加工的典型代表。在张伟看来,“十四五”规划的实行对我国智能化装备提出了相应的要求,未来激光加工行业将围绕创新协调、共享开放以及绿色低碳的道路发展。


当前,增材制造是行业的热门话题,也是之后最有希望成为激光行业风口市场的技术领域之一。上海市纳米科技与产业发展促进中心研究员周伟民博士在《激光增材制造技术新进展及新动态》演讲中,集中介绍了当前的几种主流增材制造工艺方式。光固化成型法(SLA)利用紫外激光(355nm或405nm)为光源,用振镜系统控制激光光斑扫描,扫过之处的液体树脂就实现选择性固化。目前业界超大SLA光固化3D打印机可实现最大2.4米一体成型。


谈及增材制造发展趋势,周伟民表示,人工智能、仿生制造、拓扑优化等都是未来的重点研究领域。复杂机构一体化设计通过增材制造,可以实现重量减轻、耐用性提升的双重目标。


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当前在激光行业,超快激光器市场算是一个非常热的领域。在《超快激光诱导防伪微纳结构》报告中,中国科学院上海光学精密机械研究所研究员赵全忠教授围绕激光防伪技术与现场嘉宾分享这方面的最新成果。经介绍,当前飞秒激光、皮秒激光和材料加工有三种方式,第一种是把激光聚焦到材料表面,这个材料是不透明的,比如说金属半导体;第二种是对于后面的材料,比如钢化玻璃、蓝宝石,激光可以达到材料内部进行加工。第三种加工就是3D打印,比如对光敏树脂可以进行光固化。


脉冲激光打到材料表面时,实际上可以诱导出多种微米、纳米级结构。这些结构可以有不同的形状、颜色,还可以打出折射率的变化,裂纹和微孔洞。激光防伪技术具体来说就是,第一个利用激光偏振选择性的防伪,第二个是利用选择性烧蚀——计算全息防伪,第三种叫透明材料内部防伪。

前沿应用,激光参与


中国船舶第十一研究所(上海船舶工艺研究所),是我国船舶行业以造船工艺现代化为目标的军用舰船、民用船舶和海洋工程等建造工艺研究的综合性应用研究所。该所高级工程师任闻杰博士在《船用高强钢激光焊接技术》演讲报告中,与现场嘉宾分享了中船十一所在船用钢激光电弧复合焊焊缝成形工艺、厚壁高强钢超窄间隙激光热丝焊工艺和高强度不锈钢激光焊接工艺的最新研究成果。


针对大型豪华邮轮薄板(低至5mm)结构多、距离长、跨度大等结构特点,研究所开展邮轮结构典型接头焊接工艺研究。研究发现,合适的电弧长度以及采用激光脉冲电弧复合焊接有助于降低焊接飞溅。现场,任闻杰以图文并茂的方式,展示热丝电流对焊缝成形、厚壁高强钢结构件超窄间隙激光热丝焊接的影响因素。在高强度不锈钢激光电弧复合焊焊缝成形过程中,激光前引导方式进行激光电弧复合焊接时,飞溅较多。因此,采用激光脉冲电弧焊模式进行焊接,可以大大降低焊接飞溅。


在《激光技术在航空航天领域的应用及前景》报告中,上海航空航天精密机械研究所主任工程师倪加明博士介绍到,空客A380的两个区域有7个壳体部分采用激光焊接后,速度提高20%-40%,成本降低25%。同时,用激光焊接取代铆钉连接,从而使得整机重量减轻15%,同时增加了有效载荷,帮助飞机实现更高的飞行高度。


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据介绍,目前选区激光熔化成形技术(SLM)主要应用于航空发动机燃烧室、航空发动机喷气涡流器、金字塔形三角网翼和扭曲叶片整体叶轮。采用激光直接沉积技术,在实现具有高性能大型钛合金结构件的制造上,尤其在大型整体带筋加强结构钛合金零件的快速成形上取得了很好的效果,解决了飞机复杂结构件的制造难题。在倪加明看来,激光增材制造发展趋势主要有以下三点:以高性能/多功能为驱动的激光增材制造“材料—结构—工艺”一体化及性能/功能的主动实现;面向激光增材制造的“多相材料”和“多材料”设计、制备与成形,以实现将“合适的材料添加到合适的位置”;基于激光增材制造创新结构设计,实现构件的高性能化和多功能化,以凸显“独特的结构实现独特的功能”;面向全尺寸构件和全工艺流程的激光增材制造工艺仿真、监测及优化关键技术与方法。

瞄准风口,企业发力


作为全球唯一一家大功率碟片激光器的供应商。通快碟片激光器的最大优势是,相对于光纤激光器而言,其长时间功率输出稳定性可以保持在±1%。稳定的输出功率保证了熔宽、熔深的一致性,从而获得稳定的焊接质量。究其原因,其实在通快碟片激光器内部有一个激光功率计,其光电传感技术确保测量的高精度。如果功率偏差超过了设定值,激光功率计就会把信号传给泵浦单元,泵浦单元相应就会提高或者降低电流和电压,以此来稳定整个激光光路的功率稳定。


谈及通快绿光激光器,通快中国行业经理孙景鑫介绍到,通快绿光激光器的工作原理并不复杂,它是基于碟片激光器的光学平台而做的衍生开发产品。实际上,首先产生一束1030纳米波长近红外光,在进入传输光路之前还要经过非线性晶体,1030纳米波长就倍频为515纳米波长,这就是绿光激光器的来源。


对于激光器而言,最重要的指标是BPP值,而BPP值也决定了光束质量。通快目前绿光激光器的最大功率是3000瓦,对应的BPP值是8mm.mrad,全球也只有通快一家可以提供大功率连续绿光激光器。对于像铜这样的高反材料,使用通快绿光激光器可以在加工过程中提升工件对激光的吸收率。


在激光加工领域,影响最终加工精度的因素越来越多。材料、光源、工艺、熔池、辅助气体等等都需要纳入考量的范围。要想实现工艺优化必须要经过实验,然而,实验设计的时间、人力和经济成本通常都很高,这使得多物理场仿真技术的优势凸显出来。COMSOL中国应用工程师袁庆斌在其题为《多物理场仿真在激光加工技术中的应用》的演讲中以汽车制造业新兴的激光飞行焊技术为例,介绍了COMSOL可为用户提供的全套仿真技术。


简单讲激光头就是两个透镜,一个准直透镜,一个聚焦透镜,由于功率很高,如果透镜有一点点的损耗或者存在一些些杂质,就会导致受力变形,而受力变形则会导致光斑的温度漂移,影响加工精度。通过仿真分析就可以预先控制这些现象,或者说优化加工过程。


另外,激光的飞行焊需要控制振镜及光学透镜的位置进行激光焊接,因此对光路的要求非常高。在实际操作前使用多物理场仿真技术对光路进行分析,能够极大节约非生产性时间。焊接过程需要涉及的辅助气体、熔池的实时流速、温度的变化,材料的相变都可以通过仿真模拟出来,在加工过程中也能在后台实时显示。


今年上海嘉强成立12周年。公司凭借领先的产品和技术优势,已和行业内的95%以上的知名激光设备制造企业建立了长期友好的合作关系,并且随着激光设备制造商的市场拓展走向世界各国。在《基于xStudio平台的激光解决方案》报告中,上海嘉强自动化技术有限公司产品经理陆高华从XStudio平台介绍开始向现场嘉宾讲解软件平台的强大功能。


xStudio开放型引擎智能平台的核心是行业工艺积累和平台开放性可成长性,于2018年完成基础版本。平台包含PLC编程IDE开发、硬件配置工具的开发、EtherCAT主站开发、CNC内核开发、NC内核开发、机器人内核开发、设备三维数字仿真开发。在技术层面,这款智能平台可实现如下功能:PLC及运动控制等自动化方向。单轴控制电机与CNC多轴插补控制;人工智能方向。加入人工智能算法,形成第三方可以直接调用的算法功能包;数字孪生方向。3D数字仿真CPS。目前,平台侧重于在激光加工、教育等行业,未来可扩展至通用自动化、数控、机器人、人工智能、数字工厂等行业。


以“LaserAhead”智能激光数控系统为例,陆高华指出,现在激光加工行业的发展趋势是,企业需要根据用户需求快速开发不同的软件功能和界面,搭配不同的硬件。一款产品打天下已经不适用于当前的客户需求,而是需要根据用户需求和行业机会不断进行定制化开发。


在《JPT先进激光器及其应用》演讲报告中,深圳市杰普特光电股份有限公司对外合作部项目助理吴哲谈到,MOPA脉冲光纤激光器作为杰普特先进激光器的代表,具有脉冲宽度可灵活调节、工作频率调节范围大等特点。不同于传统的标刻领域应用,MOPA不再是打标激光器,而是高性能加工“神器”。MOPA激光器特别适用于精密切割、金属叠焊、晶圆划片等。


针对激光清洗,杰普特推出了专用激光器型号,可以根据客户需求提供单模、多模;水冷、风冷型激光器。目前在国内广泛应用于激光除漆、激光除浮锈、模具/治具清洗等领域。公司的固体激光器具备防尘、放水、扩束内置的特点。公司生产的紫外激光器,在金属及塑料打孔上的边缘光滑,表现良好。此外,还可以在玻璃表面以及玻璃内部进行标刻,得到行业企业的认可。


济南邦德激光股份有限公司国内市场部总监李磊在《万瓦行业应用及发展趋势》报告中谈到,2021年中国激光设备市场销售收入预测可达770亿元人民币,其中,激光切割设备市场规模预计将达到280亿元人民币。从中国激光行业宏观层面看,产业政策支持激光加工技术发展,国内激光设备市场渗透率不断提升,新兴应用领域快速发展,激光产业发展区域化将会更加集中。


从市场层面分析,中国激光行业也从过去的落后、跟跑到现在的并跑、领跑。新工艺、新技术已经国产化、量产化。在李磊看来,目前激光行业发展已经进入到第二个黄金期,而万瓦激光切割设备成为金属加工领域的风向标。紧接着,他从与等离子切割的对比、加工效率、应用场景等方面,讲解了万瓦激光切割设备的性能优势。尤其在极限切割能力上,万瓦激光切割设备具备显著优势。


在《万瓦光纤激光器关键技术及其应用》报告中,深圳市大族光子激光技术有限公司研发总监查从文博士谈到,光纤激光器的市场应用领域规模遥遥领先其他类型激光器。2020年在全球工业激光器产品结构中,光纤激光器以52.68%的占比排名第一。对于6kW-20kW多模块万瓦级光纤激光器,系统复杂度进一步提高,多模合束方案对系统关键零部件的可靠性要求更为苛刻。


查博士指出,光束质量只有控制在合适的范围内,才能匹配最合适的工艺窗口。大族激光通过优化子束的光束质量,独特设计的合束模组,实现对光束质量的精确控制。万瓦激光器是高端激光器的代名词,功率稳定是保证穿孔、切割、焊接等加工品质一致性的保证。大族光子采用特殊定制增益光纤,配合高质量泵浦源,实现功率的高度稳定。

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