Ces dernières années, la technologie laser a pris une importance croissante dans la production industrielle. L'évolution de l'industrie manufacturière vers des processus de transformation intelligents et haut de gamme a fait qu'il est devenu difficile pour les technologies de traitement traditionnelles de répondre aux exigences du marché en matière d'efficacité et de précision dans la production de produits. La technologie laser, avec sa grande efficacité, sa faible consommation, sa déformation minimale des matériaux, [...]
Ces dernières années, la technologie laser a pris une importance croissante dans la production industrielle. L'évolution de l'industrie manufacturière vers des processus de transformation intelligents et haut de gamme a fait qu'il est devenu difficile pour les technologies de traitement traditionnelles de répondre aux exigences du marché en matière d'efficacité et de précision dans la production de produits.
La technologie laser, avec sa grande efficacité, sa faible consommation, sa déformation minimale des matériaux et son adaptabilité à l'objet traité, a augmenté son taux de pénétration dans tous les aspects de la production industrielle et est devenue un outil indispensable dans la fabrication haut de gamme.
L'industrie du laser a connu un développement rapide ces dernières années, avec une stabilité améliorée et une puissance accrue. La mise sur le marché de lasers à fibre de 10 000 watts et de produits d'équipement de traitement est devenue courante, et des nouvelles similaires sont rapportées une ou deux fois par mois.
Nous ne pouvons pas nous empêcher de nous demander pourquoi tout le monde pousse pour des lasers à fibre de plus de 10 000 watts et si une plus grande puissance est toujours meilleure pour les lasers à fibre. Nous nous interrogeons également sur la taille du marché des lasers à fibre de haute puissance et sur les solutions techniques disponibles.
Pour mieux comprendre le marché, nous avons interrogé des entreprises représentatives de la chaîne industrielle des lasers à fibre, notamment celles qui ont déjà lancé des lasers à fibre de 10 000 watts, celles qui prévoient de le faire et celles qui sont en cours de développement. fabricants de lasers et les fabricants d'équipements en aval. Notre objectif était d'être exhaustif et objectif.
Au cours de nos recherches, qui ont duré un mois, nous avons rendu visite à plusieurs fabricants de lasers à fibre, à des fabricants d'équipements, à des experts techniques de l'industrie des lasers à fibre et à des experts du marché. Nos conclusions indiquent que l'état actuel des lasers à fibre de haute puissance a encore un long chemin à parcourir.
Remarque : dans cet article, les lasers à fibre de haute puissance désignent ceux dont la puissance est supérieure à 10 000 watts, sauf indication contraire.
Les découpe au laser Parmi les nombreuses applications industrielles, le marché de la découpe au laser domine et les lasers à fibre sont devenus de plus en plus populaires. Avec l'augmentation de la demande de traitement de tôles d'épaisseur moyenne, les machines de découpe laser à haute puissance, qui présentent des avantages indéniables, deviennent les nouvelles favorites du marché.
Par rapport aux machines de découpe laser de petite et moyenne puissance, les machines de découpe laser de grande puissance sont plus efficaces pour traiter des plaques de même épaisseur. L'augmentation significative de la puissance a également conduit à une amélioration révolutionnaire du processus de découpe, réduisant les coûts de traitement pour les utilisateurs et résolvant des problèmes majeurs tels que la "production instable de plaques d'acier au carbone épaisses".
En 2017, les principaux fabricants d'équipements laser Hans'laser, par exemple, a lancé un équipement de découpe laser de 12KW et a réalisé des expéditions à petite échelle. En 2018, les machines de découpe laser de 12KW se sont imposées dans les grandes expositions, et après que Hans'laser a lancé un équipement de découpe laser de 15KW, d'autres fabricants lui ont emboîté le pas et ont lancé leurs propres produits de 15KW. En 2019, Hans'laser a de nouveau mis à jour la limite de puissance, en lançant une machine de découpe laser à fibre 20KW pour le marché final.
Les lasers à fibre ont également franchi progressivement la limite de puissance, la puissance la plus élevée de 30 kW étant désormais disponible sur le marché. La puissance est passée de 12KW à 20KW, 25KW et plus.
Les composants fonctionnels sont devenus la principale limitation. Malgré le développement rapide des applications laser à haute puissance, la stabilité des composants fonctionnels entrave le développement des équipements de découpe laser à ultra-haute puissance. La croissance de la puissance de la tête de découpe a été inférieure à celle de la puissance du laser et de la machine de découpe laser.
Les principaux composants de la tête de découpe laser sont les buses, les lentilles de mise au point et les systèmes de suivi de la mise au point.
Les buses sont les consommables les plus couramment utilisés en machine de découpe laser à fibre Il en existe trois types principaux : parallèle, convergent et conique. La qualité de coupe est étroitement liée à la forme et à la taille de la buse.
La lentille de focalisation est l'élément central de la tête de coupe. Le faisceau lumineux émis par le laser est focalisé par la lentille pour former un point à haute densité énergétique.
Avec l'augmentation de la demande du marché pour les lasers à haute puissance, la profondeur focale et la tache focale des lentilles traditionnelles sont limitées. L'augmentation de la profondeur focale entraînera une augmentation de la taille de la tache focale, ce qui ne peut pas répondre aux exigences des lasers à haute puissance. traitement au laser dans de nombreux cas. Par conséquent, il existe une demande croissante d'objectifs de mise au point dotés d'une grande profondeur focale et d'une haute résolution.
La longueur focale et la position de la lentille de mise au point influencent la qualité de la découpe laser. Les lentilles à courte longueur focale conviennent à la découpe à grande vitesse de matériaux fins, tandis que les lentilles à longue longueur focale conviennent à la découpe de pièces épaisses.
Le système de suivi de la mise au point d'une machine de découpe laser est généralement composé d'une tête de découpe de la mise au point et d'un système de capteurs de suivi. Pendant le traitement de la machine de découpe laser, le système de suivi évite les collisions et les coupes inégales, traite rapidement les graphiques et réduit le taux de produits défectueux.
Il existe actuellement deux principaux types de systèmes de suivi : un système de suivi à capteur capacitif, également appelé système de suivi sans contact, et un système de suivi à capteur inductif, également appelé système de suivi avec contact.
Precitec domine actuellement le marché national des têtes de coupe à haute puissance. La plupart des machines de découpe laser d'une puissance supérieure à 10 000 watts sont équipées de têtes de découpe Precitec. Dans ce contexte, certains fabricants chinois de lasers et d'équipements se sont efforcés de rattraper leur retard et ont augmenté leurs investissements en R&D dans les têtes de découpe pour la stabilité de leurs équipements laser à haute puissance. Ils ont obtenu certains résultats, certaines entreprises ayant lancé des têtes de découpe capables de supporter une puissance ultra-élevée de 15 kW et ayant atteint une production de masse. La technologie des têtes de coupe de 30 kW a également fait une percée.
Selon un chercheur chevronné qui a une grande expérience de la recherche sur les lasers à fibre, la combinaison de plusieurs lasers à fibre de puissance moyenne est une méthode efficace pour obtenir un laser à fibre de plus grande puissance, par exemple un laser à fibre de 10 000 watts. L'élément clé de ce processus est le combinateur de fibres.
Par conséquent, le combineur de faisceaux, la technologie de gestion thermique dans le combineur de faisceaux et la qualité du faisceau de sortie après le combineur de faisceaux sont essentiels pour les lasers à fibre de haute puissance de haute qualité dans l'industrie actuelle. La plupart des nouvelles applications faisant appel aux lasers à fibre de haute puissance exigent une qualité de faisceau élevée. Ces trois perspectives peuvent être comparées pour déterminer la stabilité, la fiabilité et l'avancée technologique d'un laser à fibre haute puissance particulier.
Dans le domaine militaire, les lasers à fibre utilisent principalement la combinaison de faisceaux spectraux pour obtenir une puissance élevée, mais dans le domaine industriel, il n'y a pas eu d'innovation technologique en Chine et la combinaison de faisceaux est toujours réalisée en utilisant plusieurs modules à fibre unique. Par exemple, plusieurs modules de 2000W et 3000W sont utilisés pour la combinaison de faisceaux afin d'obtenir un laser à fibre de 10 000W.
La puissance élevée du faisceau combiné converge dans le beamer, et si le beamer n'est pas capable de supporter une telle puissance, il est susceptible de s'éteindre. Le combineur haute puissance est principalement importé de l'étranger, et seuls quelques fabricants nationaux peuvent le produire. Outre l'écart technique entre les lasers à fibre nationaux et étrangers, les produits laser à fibre de haute puissance qui supportent la tête de découpe laser ont également des exigences plus élevées.
Par exemple, lorsqu'un laser à fibre est utilisé comme source lumineuse pour une machine de découpe laser, le laser doit être adapté à la tête de découpe. Toutefois, il existe peu de fabricants nationaux de têtes de découpe laser de grande puissance, qui exigent une grande stabilité globale de l'équipement et représentent le niveau le plus élevé de l'industrie. Selon les initiés de l'industrie, les têtes de découpe nationales sont principalement utilisées pour les têtes de découpe de faible puissance, tandis que les têtes de découpe étrangères sont principalement utilisées pour les lasers de forte puissance supérieurs à 6 000 W.
Pour la découpe laser à haute puissance, la stabilité de la tête de découpe est un problème majeur. Les difficultés de la tête de découpe se reflètent principalement dans les techniques de revêtement des lentilles, la conception du chemin optique, le système de refroidissement et le positionnement du moteur.
Le plus grand défi pour les têtes de coupe à haute puissance est la lentille. Comme l'objectif puissance du laser augmente, la densité de puissance de la lentille augmente également. Pour assurer la stabilité des têtes de coupe à haute puissance, la lentille constitue la plus grande difficulté.
Certaines entreprises ont relevé ce défi en réalisant des percées dans la technologie du revêtement des lentilles. Actuellement, les têtes de coupe disponibles sur le marché peuvent supporter une puissance de 15 kW.
Après l'objectif, la conception optique constitue un autre défi majeur. Le mode de zoom de la tête de découpe haute puissance est principalement le zoom de la lentille de collimation, ce qui est différent de la tête de découpe traditionnelle de faible puissance qui utilise le zoom de la lentille de focalisation. Pour les têtes laser haute puissance, si le collimateur se rapproche de la fibre, la densité de puissance augmente.
Outre le processus de revêtement de la lentille et la conception du chemin optique, les systèmes de refroidissement et le contrôle de la précision du moteur de la tête de coupe sont également des problèmes difficiles à résoudre pour les têtes de coupe à haute puissance. Au cours de l'année découpe de plaquesL'augmentation de la puissance du laser apporte plus d'énergie et augmente la probabilité d'une augmentation de la température dans la lentille et la buse de coupe. Le refroidissement doit être assuré par de l'eau ou d'autres méthodes de réfrigération.
En ce qui concerne la commande du moteur, des méthodes de rétroaction sont mises en œuvre sur le moteur pour corriger sa position par rétroaction, ce qui garantit un positionnement plus précis et une vitesse de réponse plus rapide lors de la mise au point.
Les lasers à fibre de haute puissance sont principalement utilisés pour la découpe et le soudage au laser dans le domaine industriel. La croyance selon laquelle plus la puissance est élevée, mieux c'est, prévaut dans de nombreuses entreprises de laser que nous avons interrogées et qui ont introduit le concept de "puissance limite". Elles estiment que pour applications de découpe au laserIl existe une limite à la puissance du processus de découpe au-delà de laquelle la qualité et la vitesse de découpe ne s'améliorent plus. Dans certains cas, il peut être plus rentable de passer à d'autres lasers, tels que les lasers à excimère ou les lasers CO2.
Ces entreprises estiment généralement que, pour le marché industriel, une puissance de 6 kW peut répondre à plus de 95% de la demande de découpe, et que les lasers à fibre de plus de 6 kW constituent un petit marché dans le domaine de la découpe. L'introduction d'équipements de découpe laser à fibre de 12 kW, 20 kW et 30 kW ne fait que démontrer la demande d'équipements laser de grande puissance sur le marché, mais il s'agit d'une exigence spécifique pour une petite gamme et il n'y a pas de besoin d'applications à grande échelle. Par conséquent, les lasers à fibre de haute puissance sont considérés comme une voie de développement jusqu'à ce que les lasers à fibre ne dépassent pas les 10 000 watts.
Toutefois, pour le traitement de matériaux spéciaux difficiles à découper, les lasers de faible puissance sont lents et l'effet de découpe est médiocre. Les matériaux à haute réflexion nécessitent également une énergie plus élevée pour répondre aux besoins de traitement, d'où l'utilisation de lasers de 10 000 watts. Les fabricants d'équipements laser ont indiqué que les lasers de haute puissance sont principalement utilisés sur le marché de la transformation, et la demande des entreprises clientes sur le marché de la transformation porte essentiellement sur des lasers d'une puissance comprise entre 6 000 et 8 000 W. La capacité de l'ensemble du marché est étroitement liée à la macroéconomie nationale.
Coupe en acier inoxydable - efficacité jusqu'à 400%
Coupe de l'acier au carbone - hDécoupe à grande vitesse de plaques moyennes et fines avec de l'air au lieu de l'oxygène
D'après la figure ci-dessus, la puissance limite de découpe de la surface brillante de l'acier au carbone est déterminée par l'épaisseur de la plaque. Si la puissance réelle est inférieure à la puissance limite, la vitesse de coupe augmentera au fur et à mesure que la puissance augmente. Toutefois, si la puissance réelle est supérieure à la puissance limite, la vitesse de coupe restera inchangée et ne s'améliorera pas, même avec l'augmentation de la puissance. L'effet de coupe ne changera pas non plus.
La plupart des fabricants de lasers considèrent toujours que les 3000-8000W constituent le principal domaine de concurrence sur le marché, bien qu'ils disposent de la technologie et de prototypes de lasers de 10 000 watts. Cela s'explique par la puissance limitée de la transformation industrielle.
Toutefois, il existe une autre perspective : plus la puissance est élevée, qu'elle soit instantanée ou moyenne, meilleure est la capacité de traitement du laser en tant qu'outil et source de chaleur dans le traitement laser. Cela a été prouvé par l'application de produits laser à fibre de 15 kW/20 kW dans le traitement à ultra-haute puissance et les effets du traitement thermique, qui se sont avérés plus performants que les lasers à fibre de 6 000 W.
Les produits actuels, d'une capacité de 10 000 W, peuvent couper efficacement des plaques de taille moyenne à épaisse, telles que celles en acier au carbone, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des processus de meulage supplémentaires.
Comme les capacités et le rendement des lasers à haute puissance continuent de s'améliorer, les utilisateurs se tourneront probablement vers ces lasers lorsque les avantages dépasseront les coûts.
Le seuil de fusion des métaux est fixé à un million de watts par centimètre carré, tandis que le seuil de modification des surfaces métalliques est de 10 000 watts par centimètre carré.
Sur la base de ces deux données fondamentales, il est probable que les lasers d'une capacité de 100 000 watts, voire d'un million de watts, deviendront de plus en plus courants à l'avenir.
Les lasers de haute puissance ont un large éventail d'applications potentielles, notamment dans les domaines du transport ferroviaire, de l'aérospatiale, de la construction navale et des applications militaires.
Dans le domaine du soudage des navires, les lasers à haute puissance sont bien adaptés, bien qu'ils n'aient pas encore été mis en œuvre en Chine.
Les avantage du laser est sa qualité et son efficacité élevées, dues à la qualité de la transmission par fibre optique et à l'efficacité de la conversion photoélectrique. Plus la puissance est élevée, plus le traitement est profond et plus la vitesse de soudage est élevée.
Toutefois, ces avantages et ces inconvénients sont interdépendants. Pour les entreprises de haute technologie, l'investissement dans la R&D sur les technologies et les produits est la première catégorie de coûts, nécessitant un investissement en talents, en fonds et en temps. Certains composants essentiels ne peuvent être obtenus en interne et les matières premières telles que la fibre optique, la source de pompage, le combinateur, le réseau et les systèmes de contrôle des circuits doivent être achetées, ce qui représente parfois jusqu'à 70% du coût total.
Pourquoi les entreprises s'orientent-elles vers les lasers à haute puissance malgré les coûts d'investissement élevés ? La réponse est motivée par le profit.
Selon les experts de l'industrie, bien que le marché chinois des lasers à fibre de faible puissance soit dominé par les marques nationales, ces produits ont remporté une victoire éclatante sur les produits importés. Cependant, trop d'entreprises entrent sur le marché, ce qui entraîne une chute brutale des prix, une concurrence féroce et de faibles marges bénéficiaires, notamment sur le marché des lasers à fibre de 1000-3000W.
D'autre part, la demande totale du marché pour des lasers plus puissants, tels que 3000-6000W, 10 kW, est faible, mais ils offrent des possibilités de concurrence différenciée.
La forte valeur ajoutée des produits laser de haute puissance et les marges bénéficiaires relativement importantes en font une nouvelle opportunité de marché pour les entreprises.
En outre, la démonstration de la force technique est également un facteur important. Par exemple, IPG Photonics annonce publiquement qu'elle peut vendre des lasers industriels personnalisés de 500 000 watts, toutes fibres confondues, même si nous ne connaissons aucune industrie qui utilise actuellement ces produits. Le fait qu'une entreprise soit capable de développer des lasers d'une telle puissance témoigne de ses capacités de R&D et de la qualité de ses produits, ce qui en fait un élément clé de sa promotion.
Du point de vue des fabricants d'équipements, les experts de l'industrie affirment que seuls quelques fabricants de produits de 10 000 watts peuvent répondre à leurs exigences en matière de qualité et de stabilité. Les autres fournisseurs de lasers doivent encore passer par un processus de promotion et de retour d'information.
Avec l'arrivée sur le marché d'un plus grand nombre d'entreprises spécialisées dans les lasers à fibre, les fabricants d'équipements auront plus de choix et le rapport entre les prix d'achat et les prix de vente augmentera naturellement.
La question de savoir si les lasers à fibre plus puissants sont "meilleurs" n'a pas de réponse définitive. Les progrès technologiques, la localisation des principaux composants, l'amélioration des équipements de soutien, la demande du marché et le développement des domaines d'application sont autant de facteurs qui stimuleront la croissance des lasers à fibre ainsi que la transformation et la modernisation de la fabrication.
Les lasers à fibre de haute puissance ont encore un long chemin à parcourir.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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