E se fosse possibile aumentare significativamente l'efficienza della produzione con una tecnologia all'avanguardia? Questo articolo analizza le macchine da taglio laser ad alta potenza, in particolare quelle con capacità di oltre 10.000 watt. Scoprite come queste macchine stanno rivoluzionando i processi industriali, migliorando la precisione di taglio e riducendo gli scarti di materiale. Scoprite i più recenti progressi, le sfide e le tendenze del mercato della tecnologia laser ad alta potenza, dotandovi delle conoscenze necessarie per prendere decisioni informate per le vostre esigenze di produzione.
Negli ultimi anni, la tecnologia laser ha assunto un'importanza crescente nella produzione industriale. L'evoluzione dell'industria manifatturiera verso processi di trasformazione intelligenti e di alto livello ha reso difficile per la tecnologia di lavorazione tradizionale soddisfare le richieste del mercato di maggiore efficienza e precisione nella produzione dei prodotti.
La tecnologia laser, grazie all'elevata efficienza, al basso consumo, alla minima deformazione del materiale e all'adattabilità all'oggetto di lavorazione, ha aumentato il suo tasso di penetrazione in tutti gli aspetti della produzione industriale ed è diventata uno strumento indispensabile nella produzione di fascia alta.
Negli ultimi anni l'industria del laser ha registrato un rapido sviluppo, con una maggiore stabilità e una maggiore potenza. Il rilascio di laser in fibra da 10.000 watt e di prodotti per la lavorazione è diventato un evento comune, con notizie simili che vengono riportate una o due volte al mese.
Non possiamo fare a meno di chiederci perché tutti spingano per laser in fibra da oltre 10.000 watt e se una potenza maggiore sia sempre migliore per i laser in fibra. Ci chiediamo anche quali siano le dimensioni del mercato dei laser in fibra ad alta potenza e le soluzioni tecniche disponibili.
Per comprendere meglio il mercato, abbiamo condotto interviste con aziende rappresentative della catena industriale dei laser in fibra, tra cui quelle che hanno già lanciato laser in fibra da 10.000 watt, quelle che hanno in programma di farlo e quelle che si occupano di fibre ottiche. produttori di laser e i produttori di apparecchiature a valle. Il nostro obiettivo è stato quello di essere completi e obiettivi.
Durante la nostra ricerca, durata un mese, abbiamo visitato diversi produttori di laser in fibra, produttori di apparecchiature, esperti tecnici del settore laser in fibra ed esperti di mercato. I nostri risultati indicano che lo stato attuale dei laser in fibra ad alta potenza ha ancora molta strada da fare.
Nota: in questo articolo, i laser in fibra ad alta potenza si riferiscono a quelli con una potenza di oltre 10.000 watt, se non diversamente specificato.
Il taglio laser tra le numerose applicazioni industriali, e i laser in fibra sono diventati sempre più popolari. Con la crescita della domanda di lavorazione di lastre di medio spessore, le macchine di taglio laser ad alta potenza, con evidenti vantaggi, stanno diventando le nuove favorite del mercato.
Rispetto alle macchine di taglio laser di piccola e media potenza, le macchine di taglio laser ad alta potenza sono più efficienti nella lavorazione di lamiere dello stesso spessore. L'aumento significativo della potenza ha portato anche a un aggiornamento rivoluzionario del processo di taglio, riducendo i costi di lavorazione per gli utenti e risolvendo problemi importanti come la "produzione instabile di lastre di acciaio al carbonio spesse".
Nel 2017, i principali produttori di apparecchiature laser come Hans'laser ha lanciato apparecchiature di taglio laser da 12KW e ha ottenuto spedizioni su piccola scala. Nel 2018, le macchine da taglio laser da 12KW sono diventate protagoniste delle principali fiere e, dopo che Hans'laser ha lanciato un'apparecchiatura da taglio laser da 15KW, altri produttori hanno seguito l'esempio e hanno lanciato i propri prodotti da 15KW. Nel 2019, Hans'laser ha aggiornato nuovamente il limite di potenza, lanciando una macchina per il taglio laser in fibra da 20KW per il mercato finale.
Anche i laser a fibra hanno gradualmente superato il limite di potenza, con la massima potenza di 30KW ora disponibile sul mercato. La potenza è passata da 12KW a 20KW, 25KW e oltre.
I componenti funzionali sono diventati la principale limitazione. Nonostante il rapido sviluppo delle applicazioni laser ad alta potenza, la stabilità dei componenti funzionali ostacola lo sviluppo delle apparecchiature di taglio laser ad altissima potenza. La crescita della potenza della testa di taglio è rimasta indietro rispetto alla crescita della potenza del laser e della macchina di taglio laser.
I componenti principali della testa di taglio laser sono gli ugelli, le lenti di messa a fuoco e i sistemi di tracciamento della messa a fuoco.
Gli ugelli sono i materiali di consumo più comunemente utilizzati in macchina per il taglio laser in fibra Esistono tre tipi principali di utensili: paralleli, convergenti e conici. La qualità del taglio è strettamente legata alla forma e alle dimensioni dell'ugello.
La lente di focalizzazione è il componente centrale della testa di taglio. Il fascio di luce emesso dal laser viene focalizzato dalla lente per formare un punto ad alta densità energetica.
Con l'aumento della domanda di laser ad alta potenza, la profondità focale e lo spot focale delle lenti tradizionali sono limitati. L'aumento della profondità focale si traduce in un'espansione delle dimensioni del punto focale, che non può soddisfare i requisiti di lavorazione laser in molti casi. Di conseguenza, cresce la domanda di obiettivi di messa a fuoco con una lunga profondità focale e un'elevata risoluzione.
Sia la lunghezza focale che la posizione della lente di messa a fuoco influiscono sulla qualità del taglio laser. Le lenti a focale corta sono adatte al taglio ad alta velocità di materiali sottili, mentre le lenti a focale lunga sono adatte al taglio di pezzi spessi.
Il sistema di tracciamento della messa a fuoco di una macchina da taglio laser è solitamente composto da una testa di taglio e da un sistema di sensori di tracciamento. Durante la lavorazione della macchina di taglio laser, il sistema di tracciamento impedisce collisioni e tagli irregolari, elabora rapidamente i grafici e riduce il tasso di prodotti difettosi.
Attualmente esistono due tipi principali di sistemi di tracciamento: un sistema di tracciamento a sensori capacitivi, noto anche come sistema di tracciamento senza contatto, e un sistema di tracciamento a sensori induttivi, noto anche come sistema di tracciamento a contatto.
Precitec domina attualmente il mercato nazionale delle teste di taglio ad alta potenza. La maggior parte delle macchine da taglio laser con potenza superiore a 10.000 watt sono dotate di teste di taglio Precitec. Alla luce di ciò, alcuni produttori cinesi di laser e attrezzature si sono sforzati di recuperare il ritardo e hanno aumentato gli investimenti in R&S sulle teste di taglio per la stabilità delle loro apparecchiature laser ad alta potenza. Hanno ottenuto alcuni risultati: alcune aziende hanno lanciato teste di taglio in grado di sopportare una potenza ultraelevata di 15kW e hanno raggiunto la produzione di massa. Anche la tecnologia delle teste di taglio da 30kW ha fatto un passo avanti.
Secondo un ricercatore senior con una vasta esperienza nella ricerca sui laser a fibra, per ottenere una potenza laser a fibra maggiore, come un laser a fibra da 10.000 watt, la combinazione di più laser a fibra di media potenza è un metodo efficace. Il componente chiave di questo processo è il combinatore di fibre.
Pertanto, il combinatore di fasci, la tecnologia di gestione termica nel combinatore di fasci e la qualità del fascio di uscita dopo il combinatore di fasci sono cruciali per i laser in fibra ad alta potenza di alta qualità presenti oggi nel settore. La maggior parte delle nuove applicazioni che coinvolgono i laser in fibra ad alta potenza richiedono un'elevata qualità del fascio. Queste tre prospettive possono essere confrontate per determinare la stabilità, l'affidabilità e il progresso tecnologico di un particolare laser a fibra ad alta potenza.
In campo militare, i laser a fibra utilizzano per lo più la combinazione spettrale del fascio per ottenere un'elevata potenza, ma in campo industriale non c'è stata alcuna innovazione tecnologica in Cina e la combinazione del fascio è ancora ottenuta per lo più utilizzando più moduli a fibra singola. Ad esempio, per ottenere un laser in fibra da 10.000W si utilizzano più moduli da 2000W e 3000W per la combinazione del fascio.
L'elevata potenza del fascio combinato converge nel beamer e, se quest'ultimo non è in grado di sopportare una potenza così elevata, rischia di bruciarsi. Il combinatore ad alta potenza è per lo più importato dall'estero e solo pochi produttori nazionali sono in grado di produrlo. Oltre al divario tecnico tra i laser in fibra nazionali ed esteri, anche i prodotti laser in fibra ad alta potenza che supportano la testa di taglio laser hanno requisiti più elevati.
Ad esempio, quando si utilizza un laser in fibra come sorgente di luce per una macchina da taglio laser, il laser deve corrispondere alla testa di taglio. Tuttavia, sono pochi i produttori nazionali di teste di taglio laser ad alta potenza, che richiedono un'elevata stabilità complessiva dell'apparecchiatura e rappresentano il livello più alto del settore. Secondo gli addetti ai lavori, le teste di taglio nazionali sono utilizzate principalmente per le teste di taglio a bassa potenza, mentre le teste di taglio straniere sono utilizzate principalmente per i laser ad alta potenza superiori a 6000W.
Per il taglio laser ad alta potenza, la stabilità della testa di taglio è un problema importante. Le difficoltà della testa di taglio si riflettono principalmente nelle tecniche di rivestimento delle lenti, nella progettazione del percorso ottico, nel sistema di raffreddamento e nel posizionamento del motore.
La sfida più grande per le teste di taglio ad alta potenza è la lente. Poiché la lente potenza del laser aumenta, così come la densità di potenza della lente. Per garantire la stabilità delle teste di taglio ad alta potenza, la lente rappresenta la difficoltà maggiore.
Alcune aziende hanno superato questa sfida grazie ai progressi della tecnologia di rivestimento delle lenti. Attualmente, le teste di taglio presenti sul mercato possono gestire stabilmente una potenza di 15kw.
Dopo l'obiettivo, un'altra sfida importante è rappresentata dal design ottico. La modalità di zoom della testa di taglio ad alta potenza è principalmente lo zoom della lente di collimazione, che è diversa dalla testa di taglio tradizionale a bassa potenza che utilizza lo zoom della lente di messa a fuoco. Per le teste laser ad alta potenza, se il collimatore si avvicina alla fibra, la densità di potenza aumenta.
Oltre al processo di rivestimento delle lenti e alla progettazione del percorso ottico, anche i sistemi di raffreddamento e il controllo di precisione del motore della testa di taglio sono problemi impegnativi per le teste di taglio ad alta potenza. Durante taglio delle lastreL'aumento della potenza del laser comporta una maggiore energia e aumenta la probabilità di un aumento della temperatura nella lente e nell'ugello di taglio. Il raffreddamento deve essere assicurato mediante raffreddamento ad acqua o altri metodi di refrigerazione.
In termini di controllo del motore, vengono implementati metodi di retroazione per correggerne la posizione attraverso il feedback, garantendo un posizionamento più preciso e una maggiore velocità di risposta nella messa a fuoco.
I laser in fibra ad alta potenza sono utilizzati principalmente per il taglio e la saldatura laser in ambito industriale. La convinzione che più alta è la potenza, meglio è, è prevalente in molte aziende laser intervistate, che hanno introdotto il concetto di "potenza limite". Esse ritengono che per applicazioni di taglio laserLa potenza del processo di taglio ha un limite oltre il quale la qualità e la velocità di taglio non migliorano più. In alcuni casi, il passaggio ad altri laser, come quelli a eccimeri o a CO2, può essere più conveniente.
Queste aziende ritengono generalmente che per il mercato industriale 6 kW possano soddisfare più di 95% della domanda di taglio e che i laser a fibra con più di 6 kW rappresentino un piccolo mercato nel campo del taglio. L'introduzione di apparecchiature di taglio laser in fibra da 12 kW, 20 kW e 30 kW dimostra solo la domanda di apparecchiature laser ad alta potenza nel mercato, ma si tratta di un requisito specifico per una gamma ridotta e non è necessario per applicazioni su larga scala. Pertanto, i laser in fibra ad alta potenza sono considerati una direzione di sviluppo fino a quando i laser in fibra non avranno superato i 10.000 watt.
Tuttavia, nella lavorazione di materiali speciali difficili da tagliare, i laser a bassa potenza sono lenti e l'effetto di taglio è scarso. I materiali ad alta riflessione richiedono inoltre un'energia maggiore per soddisfare le esigenze di lavorazione, ed è qui che vengono utilizzati i laser da 10.000 watt. I produttori di apparecchiature laser hanno riferito che i laser ad alta potenza sono utilizzati principalmente nel mercato della lavorazione e che la richiesta da parte dei clienti aziendali nel mercato della lavorazione è principalmente per i laser con una potenza di uscita tra 6.000-8.000 W. La capacità dell'intero mercato è strettamente legata alla macroeconomia nazionale.
Taglio dell'acciaio inossidabile - efficienza fino a 400%
Taglio dell'acciaio al carbonio - hTaglio ad alta velocità di lastre medie e sottili con aria anziché ossigeno
Secondo la figura precedente, la potenza limite di taglio della superficie lucida dell'acciaio al carbonio è determinata dallo spessore della lamiera. Se la potenza effettiva è inferiore alla potenza limite, la velocità di taglio aumenterà all'aumentare della potenza. Tuttavia, se la potenza effettiva è superiore alla potenza limite, la velocità di taglio rimarrà invariata e non migliorerà, anche con l'aumento della potenza. Anche l'effetto di taglio non cambia.
La maggior parte dei produttori di laser considera ancora i 3000-8000W come la principale area di concorrenza del mercato, nonostante disponga della tecnologia e dei prototipi di laser da 10.000 watt. Ciò si basa sulla potenza limitata della lavorazione industriale.
Tuttavia, esiste un'altra prospettiva in cui più alta è la potenza, sia istantanea che media, migliore è la capacità di lavorazione del laser come strumento e fonte di calore nella lavorazione laser. Ciò è stato dimostrato dall'applicazione di prodotti laser in fibra da 15 kW/20 kW nella lavorazione ad altissima potenza e negli effetti del trattamento termico, che si sono rivelati migliori rispetto ai laser in fibra da 6000W.
I prodotti attuali, con una capacità di 10.000 W, possono tagliare efficacemente lamiere di medio e grande spessore, come quelle in acciaio al carbonio, eliminando la necessità di ulteriori processi di rettifica.
Con il continuo miglioramento delle capacità e della resa dei laser ad alta potenza, gli utenti passeranno probabilmente a questi laser quando i vantaggi saranno superiori ai costi.
La soglia di fusione dei metalli è fissata a un milione di watt per centimetro quadrato, mentre la soglia di modifica delle superfici metalliche è di 10.000 watt per centimetro quadrato.
Sulla base di questi due dati fondamentali, è probabile che in futuro la potenza laser con una capacità di 100.000 watt o addirittura di un milione di watt diventerà sempre più comune.
I laser ad alta potenza hanno un'ampia gamma di applicazioni potenziali, tra cui il trasporto ferroviario, il settore aerospaziale, la costruzione navale e le applicazioni militari.
Nel campo della saldatura navale, i laser ad alta potenza sono molto adatti, anche se non sono ancora stati implementati in Cina.
Il vantaggio del laser La tecnologia di saldatura è caratterizzata da un'elevata qualità ed efficienza, dovuta alla qualità della trasmissione in fibra ottica e all'efficienza della conversione fotoelettrica. Maggiore è la potenza, più profonda è la lavorazione e più rapida è la velocità di saldatura.
Tuttavia, questi vantaggi e svantaggi sono interdipendenti. Per le imprese ad alta tecnologia, l'investimento nella tecnologia e nella ricerca e sviluppo dei prodotti è la prima categoria di costo e richiede l'investimento di talenti, fondi e tempo. Alcuni componenti fondamentali non possono essere reperiti internamente e devono essere acquistate materie prime come la fibra ottica, la sorgente di pompaggio, il combinatore, il reticolo e i sistemi di controllo dei circuiti, che a volte rappresentano fino a 70% del costo totale.
Perché le aziende si orientano verso i laser ad alta potenza nonostante gli elevati costi di investimento? La risposta è il profitto.
Gli esperti del settore affermano che, sebbene il mercato cinese dei laser a fibra a bassa potenza sia dominato dai marchi nazionali, questi prodotti hanno ottenuto una vittoria a rotazione sui prodotti importati. Tuttavia, troppe aziende stanno entrando nel mercato, causando un forte calo dei prezzi e portando a una concorrenza feroce e a bassi margini di profitto, come nel mercato dei laser in fibra da 1000-3000W.
D'altra parte, la domanda totale di mercato per i laser di potenza superiore, come 3000-6000W, 10 kW, è piccola ma offre opportunità di concorrenza differenziata.
L'elevato valore aggiunto dei prodotti laser ad alta potenza e i margini di profitto relativamente ampi ne fanno una nuova opportunità di mercato per le imprese.
Inoltre, anche la dimostrazione di forza tecnica è un fattore significativo. Ad esempio, IPG Photonics pubblicizza pubblicamente la possibilità di vendere laser industriali personalizzati da 500.000 watt interamente in fibra, anche se non siamo a conoscenza di industrie che attualmente utilizzano questi prodotti. Il fatto che un'azienda sia in grado di sviluppare laser di così alta potenza è una testimonianza delle sue capacità di R&S e della qualità dei suoi prodotti, e ne fa un punto di forza promozionale.
Dal punto di vista dei produttori di apparecchiature, gli esperti del settore affermano che solo pochi produttori di prodotti da 10.000 watt sono in grado di soddisfare i loro requisiti di qualità e stabilità. Gli altri fornitori di laser devono ancora passare attraverso un processo di promozione e feedback.
Con l'ingresso sul mercato di un maggior numero di aziende produttrici di laser in fibra, i produttori di apparecchiature avranno più scelta e il rapporto tra i prezzi di acquisto aumenterà naturalmente.
Se i laser in fibra di maggiore potenza siano "migliori" non è una domanda con una risposta certa. I progressi tecnologici, la localizzazione dei componenti principali, il miglioramento delle apparecchiature di supporto, la domanda del mercato e lo sviluppo delle aree di applicazione guideranno la crescita dei laser in fibra e la trasformazione e l'aggiornamento della produzione.
I laser in fibra ad alta potenza hanno ancora molta strada da fare.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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