E se pudesse aumentar significativamente a eficiência da sua produção com tecnologia de ponta? Este artigo aborda as máquinas de corte a laser de alta potência, especialmente as que têm uma capacidade superior a 10 000 watts. Descubra como estas máquinas estão a revolucionar os processos industriais, melhorando a precisão de corte e reduzindo o desperdício de material. Saiba mais sobre os últimos avanços, desafios e tendências de mercado na tecnologia laser de alta potência, equipando-o com os conhecimentos necessários para tomar decisões informadas para as suas necessidades de fabrico.
Nos últimos anos, a tecnologia laser tem-se tornado cada vez mais importante na produção industrial. O avanço da indústria transformadora para processos de transformação inteligentes e de alta qualidade tornou difícil para a tecnologia de processamento tradicional satisfazer as exigências do mercado em termos de maior eficiência e precisão na produção de produtos.
A tecnologia laser, com a sua elevada eficiência, baixo consumo, deformação mínima do material e adaptabilidade ao objeto de processamento, aumentou a sua taxa de penetração em todos os aspectos da produção industrial e tornou-se uma ferramenta indispensável no fabrico de alta qualidade.
A indústria do laser tem registado um rápido desenvolvimento nos últimos anos, com maior estabilidade e maior potência. O lançamento de lasers de fibra de 10.000 watts e de produtos de equipamento de processamento tornou-se uma ocorrência comum, com notícias semelhantes a serem comunicadas uma ou duas vezes por mês.
Não podemos deixar de nos questionar porque é que toda a gente está a insistir em lasers de fibra de mais de 10.000 watts e se uma maior potência é sempre melhor para os lasers de fibra. Também questionamos a dimensão do mercado de laser de fibra de alta potência e as soluções técnicas disponíveis.
Para compreender melhor o mercado, realizámos entrevistas com empresas representativas da cadeia da indústria dos lasers de fibra, incluindo as que já lançaram lasers de fibra de 10 000 watts, as que planeiam fazê-lo e as empresas de fibra fabricantes de laser e fabricantes de equipamentos a jusante. O nosso objetivo era sermos abrangentes e objectivos.
Durante a nossa investigação de um mês, visitámos vários fabricantes de lasers de fibra, fabricantes de equipamento, peritos técnicos da indústria de lasers de fibra e peritos do mercado. As nossas conclusões indicam que o estado atual dos lasers de fibra de alta potência ainda tem um longo caminho a percorrer.
Nota: Neste artigo, os lasers de fibra de alta potência referem-se àqueles com uma potência de 10.000+ watts, exceto se especificado de outra forma.
O corte a laser O mercado de corte a laser domina entre as muitas aplicações industriais, e os lasers de fibra tornaram-se cada vez mais populares. Com o crescimento da procura de processamento de placas de espessura média, as máquinas de corte a laser de alta potência com vantagens claras estão a tornar-se as novas favoritas do mercado.
Em comparação com as máquinas de corte a laser de pequena e média potência, as máquinas de corte a laser de alta potência são mais eficientes no processamento de chapas da mesma espessura. O aumento significativo da potência levou também a uma atualização revolucionária do processo de corte, reduzindo os custos de processamento para os utilizadores e resolvendo problemas importantes como a "produção instável de chapas grossas de aço-carbono".
Em 2017, os principais fabricantes de equipamentos laser como a Hans'laser lançaram equipamentos de corte a laser de 12KW e conseguiram embarques em pequena escala. Em 2018, as máquinas de corte a laser de 12KW tornaram-se proeminentes nas principais exposições e, depois que a Hans'laser lançou equipamentos de corte a laser de 15KW, outros fabricantes seguiram o exemplo e lançaram seus próprios produtos de 15KW. Em 2019, a Hans'laser actualizou novamente o limite de potência, lançando uma máquina de corte a laser de fibra de 20KW para o mercado final.
Os lasers de fibra também ultrapassaram gradualmente o limite de potência, estando atualmente disponíveis no mercado lasers de fibra de 30KW de potência máxima. A potência aumentou de 12KW para 20KW, 25KW e mais.
Os componentes funcionais tornaram-se a principal limitação. Apesar do rápido desenvolvimento das aplicações de laser de alta potência, a estabilidade dos componentes funcionais está a impedir o desenvolvimento de equipamento de corte a laser de ultra-alta potência. O crescimento da potência da cabeça de corte ficou aquém do crescimento da potência do laser e da máquina de corte a laser.
Os principais componentes da cabeça de corte a laser são os bicos, as lentes de focagem e os sistemas de seguimento da focagem.
Os bicos são os consumíveis mais utilizados em máquina de corte a laser de fibra e existem três tipos principais: paralelo, convergente e cónico. A qualidade do corte está intimamente relacionada com a forma e o tamanho do bocal.
A lente de focagem é o componente central da cabeça de corte. O feixe de luz emitido pelo laser é focado pela lente para formar um ponto de alta densidade de energia.
Com a crescente procura de lasers de alta potência no mercado, a profundidade focal e o ponto focal das lentes tradicionais são limitados. O aumento da profundidade focal resultará numa expansão do tamanho do ponto focal, que não pode satisfazer os requisitos de processamento a laser em muitos casos. Consequentemente, há uma procura crescente de lentes de focagem com grande profundidade focal e alta resolução.
Tanto a distância focal como a posição de focagem da lente de focagem afectam a qualidade do corte a laser. As lentes de distância focal curta são adequadas para o corte a alta velocidade de materiais finos, enquanto as lentes de distância focal longa são adequadas para o corte de peças espessas.
O sistema de seguimento de focagem de uma máquina de corte a laser é normalmente composto por uma cabeça de corte de focagem e um sistema de sensor de seguimento. Durante o processamento da máquina de corte a laser, o sistema de seguimento evita colisões e cortes irregulares, processa rapidamente os gráficos e reduz a taxa de produtos defeituosos.
Existem atualmente dois tipos principais de sistemas de localização: um sistema de localização por sensor capacitivo, também conhecido como sistema de localização sem contacto, e um sistema de localização por sensor indutivo, também conhecido como sistema de localização por contacto.
A Precitec domina atualmente o mercado nacional das cabeças de corte de alta potência. A maioria das máquinas de corte a laser com uma potência superior a 10 000 watts está equipada com cabeças de corte Precitec. Perante este facto, alguns fabricantes chineses de equipamento e de laser têm vindo a envidar esforços para recuperar o atraso e aumentaram o seu investimento em I&D em cabeças de corte para a estabilidade do seu equipamento laser de alta potência. Obtiveram alguns resultados, com algumas empresas a lançarem cabeças de corte capazes de suportar uma potência ultra-alta de 15kW e a conseguirem uma produção em massa. A tecnologia das cabeças de corte de 30kW também registou um avanço.
De acordo com um investigador sénior com uma vasta experiência em investigação de laser de fibra, para obter uma maior potência de laser de fibra, como um laser de fibra de 10.000 watts, a combinação de vários lasers de fibra de potência média é um método eficaz. O componente chave neste processo é o combinador de fibras.
Por conseguinte, o combinador de feixes, a tecnologia de gestão térmica no combinador de feixes e a qualidade do feixe de saída após o combinador de feixes são cruciais para os lasers de fibra de alta potência de elevada qualidade existentes atualmente na indústria. A maior parte das novas aplicações que envolvem lasers de fibra de alta potência exigem uma elevada qualidade do feixe. Estas três perspectivas podem ser comparadas para determinar a estabilidade, a fiabilidade e o avanço tecnológico de um determinado laser de fibra de alta potência.
No domínio militar, os lasers de fibra utilizam maioritariamente a combinação de feixes espectrais para atingir uma potência elevada, mas no domínio industrial não houve inovação tecnológica na China e a combinação de feixes continua a ser conseguida principalmente através da utilização de vários módulos de fibra única. Por exemplo, vários módulos de 2000W e 3000W são utilizados para a combinação de feixes para obter um laser de fibra de 10.000W.
A elevada potência do feixe combinado converge para o feixe, e se este não for capaz de suportar uma potência tão elevada, é suscetível de se queimar. O combinador de alta potência é maioritariamente importado do estrangeiro e apenas alguns fabricantes nacionais o podem produzir. Para além da diferença técnica entre os lasers de fibra nacionais e estrangeiros, os produtos de laser de fibra de alta potência que suportam a cabeça de corte a laser também têm requisitos mais elevados.
Por exemplo, quando se utiliza um laser de fibra como fonte de luz para uma máquina de corte a laser, o laser deve corresponder à cabeça de corte. No entanto, existem poucos fabricantes nacionais de cabeças de corte a laser de alta potência, que exigem alta estabilidade geral do equipamento e representam o nível mais alto da indústria. De acordo com especialistas do sector, as cabeças de corte nacionais são utilizadas principalmente para cabeças de corte de baixa potência, enquanto as cabeças de corte estrangeiras são utilizadas principalmente para lasers de alta potência acima de 6000W.
Para o corte a laser de alta potência, a estabilidade da cabeça de corte é um grande problema. As dificuldades na cabeça de corte reflectem-se principalmente nas técnicas de revestimento das lentes, na conceção do percurso ótico, no sistema de arrefecimento e no posicionamento do motor.
O maior desafio para as cabeças de corte de alta potência é a lente. Como a potência do laser aumenta, o mesmo acontece com a densidade de potência da lente. Para garantir a estabilidade das cabeças de corte de alta potência, a lente é a maior dificuldade.
Algumas empresas ultrapassaram este desafio através de avanços na tecnologia de revestimento de lentes. Atualmente, as cabeças de corte existentes no mercado podem suportar de forma estável uma potência de 15kw.
Depois da lente, outro grande desafio é o design ótico. O modo de zoom da cabeça de corte de alta potência é principalmente o zoom da lente de colimação, que é diferente da cabeça de corte tradicional de baixa potência que utiliza o zoom da lente de focagem. Para cabeças de laser de alta potência, se o colimador se aproximar da fibra, a densidade de potência aumentará.
Para além do processo de revestimento da lente e da conceção do percurso ótico, os sistemas de arrefecimento e o controlo de precisão do motor da cabeça de corte são também problemas difíceis nas cabeças de corte de alta potência. Durante corte de chapaO aumento da potência do laser traz mais energia e aumenta a probabilidade de aumento da temperatura na lente e no bocal de corte. O arrefecimento deve ser assegurado através de arrefecimento a água ou outros métodos de refrigeração.
Em termos de controlo do motor, são implementados métodos de feedback no motor para corrigir a sua posição através de feedback, garantindo um posicionamento mais preciso e uma velocidade de resposta mais rápida na focagem.
Os lasers de fibra de alta potência são utilizados principalmente para corte e soldadura a laser no sector industrial. A crença de que quanto maior for a potência, melhor é predominante entre muitas empresas de laser que entrevistámos, que introduziram o conceito de "potência limite". Acreditam que para aplicações de corte a laserNo entanto, existe um limite para a potência do processo de corte, para além do qual a qualidade e a velocidade de corte deixam de melhorar. Em alguns casos, a mudança para outros lasers, como os lasers de excímero ou de CO2, pode ser mais económica.
Estas empresas acreditam geralmente que, para o mercado industrial, 6 kW podem satisfazer mais de 95% da procura de corte, e os lasers de fibra com mais de 6 kW constituem um pequeno mercado no domínio do corte. A introdução de equipamento de corte a laser de fibra de 12 kW, 20 kW e 30 kW apenas demonstra a procura de equipamento laser de alta potência no mercado, mas trata-se de um requisito específico para uma pequena gama e não há necessidade de aplicações em grande escala. Por conseguinte, os lasers de fibra de alta potência são considerados uma direção de desenvolvimento até que os lasers de fibra não tenham ultrapassado os 10 000 watts.
No entanto, no processamento de materiais especiais que são difíceis de cortar, os lasers de baixa potência são lentos e o efeito de corte é fraco. Os materiais de alta reflexão também requerem uma energia mais elevada para satisfazer as necessidades de processamento, que é onde os lasers de 10.000 watts são utilizados. Os fabricantes de equipamento laser referiram que os lasers de alta potência são utilizados principalmente no mercado da transformação e que a procura das empresas clientes no mercado da transformação é maioritariamente de lasers com uma potência entre 6 000 e 8 000 W. A capacidade de todo o mercado está estreitamente ligada à macroeconomia nacional.
Corte de aço inoxidável - eficiência até 400%
Corte de aço-carbono - hcorte a alta velocidade de chapas médias e finas com ar em vez de oxigénio
De acordo com a figura acima, a potência limite de corte da superfície brilhante do aço carbono é determinada pela espessura da chapa. Se a potência efectiva for inferior à potência limite, a velocidade de corte aumenta à medida que a potência aumenta. No entanto, se a potência real for maior que a potência limite, a velocidade de corte permanecerá inalterada e não melhorará, mesmo com o aumento da potência. O efeito de corte também não se altera.
A maioria dos fabricantes de lasers continua a considerar os 3000-8000W como a principal área de concorrência do mercado, apesar de dispor de tecnologia e protótipos de lasers de 10 000 watts. Isto baseia-se na potência limitada do processamento industrial.
No entanto, existe uma outra perspetiva em que quanto maior for a potência, quer seja instantânea ou média, melhor será a capacidade de processamento do laser como ferramenta e fonte de calor no processamento laser. Este facto foi comprovado através da aplicação de produtos laser de fibra de 15 kW/20 kW em efeitos de processamento e tratamento térmico de potência ultra-alta, que se verificou terem um melhor desempenho em comparação com os lasers de fibra de 6000W.
Os produtos actuais com uma capacidade de 10.000 W podem cortar eficazmente chapas médias a grossas, como as de aço-carbono, eliminando a necessidade de processos de trituração adicionais.
À medida que as capacidades e o rendimento dos lasers de alta potência continuarem a melhorar, é provável que os utilizadores passem a utilizar estes lasers quando as vantagens ultrapassarem os custos.
O limiar de fusão dos metais é fixado em um milhão de watts por centímetro quadrado, enquanto o limiar de modificação das superfícies metálicas é de 10 000 watts por centímetro quadrado.
Com base nestes dois dados básicos, é provável que a potência laser com uma capacidade de 100 000 watts ou mesmo de um milhão de watts se torne mais comum no futuro.
Os lasers de alta potência têm uma vasta gama de aplicações potenciais, incluindo o transporte ferroviário, a indústria aeroespacial, a construção naval e aplicações militares.
No domínio da soldadura de navios, os lasers de alta potência são bem adequados, embora ainda não tenham sido implementados na China.
O vantagem do laser é a sua elevada qualidade e eficiência, devido à qualidade da transmissão da fibra ótica e à eficiência da conversão fotoeléctrica. Quanto maior for a potência, mais profundo será o processamento e mais rápida será a velocidade de soldadura.
No entanto, estas vantagens e desvantagens são interdependentes. Para as empresas de alta tecnologia, o investimento em I&D de tecnologia e produtos é a primeira categoria de custos, exigindo investimento em talentos, fundos e tempo correspondentes. Alguns componentes principais não podem ser obtidos internamente e as matérias-primas, como a fibra ótica, a fonte de bombagem, o combinador, a grelha e os sistemas de controlo de circuitos, têm de ser adquiridas, representando por vezes até 70% do custo total.
Então, porque é que as empresas optam por lasers de alta potência apesar dos elevados custos de investimento? A resposta é motivada pelo lucro.
Os especialistas da indústria dizem que, embora o mercado chinês de baixa potência seja dominado por marcas nacionais de laser de fibra, esses produtos obtiveram uma vitória contínua sobre os produtos importados. No entanto, há demasiadas empresas a entrar no mercado, fazendo com que os preços caiam drasticamente e levando a uma concorrência feroz e a margens de lucro baixas, como no mercado de laser de fibra de 1000-3000W.
Por outro lado, a procura total no mercado de lasers de maior potência, como os de 3000-6000W, 10 kW, é pequena, mas oferece oportunidades de concorrência diferenciada.
O elevado valor acrescentado dos produtos laser de alta potência e as margens de lucro relativamente grandes fazem deles uma nova oportunidade de mercado para as empresas entrarem.
Além disso, a demonstração de capacidade técnica é também um fator significativo. Por exemplo, a IPG Photonics anuncia publicamente que pode vender lasers industriais personalizados de 500.000 watts totalmente em fibra, mesmo que não tenhamos conhecimento de nenhuma indústria que utilize atualmente estes produtos. O facto de uma empresa ser capaz de desenvolver lasers de tão alta potência é um testemunho das suas capacidades de I&D e da qualidade dos seus produtos, tornando-o um ponto promocional fundamental.
Do ponto de vista dos fabricantes de equipamentos, os especialistas do sector afirmam que apenas alguns fabricantes de produtos de 10 000 watts conseguem satisfazer os seus requisitos de qualidade e estabilidade. Outros fornecedores de laser ainda precisam de passar por um processo promocional e de feedback.
À medida que mais empresas de laser de fibra entram no mercado, os fabricantes de equipamentos terão mais opções e a relação de preço de compra aumentará naturalmente.
Se os lasers de fibra de maior potência são "melhores" não é uma questão com uma resposta definitiva. Os avanços tecnológicos, a localização dos componentes principais, a melhoria do equipamento de apoio, a procura do mercado e o desenvolvimento de áreas de aplicação irão impulsionar o crescimento dos lasers de fibra e a transformação e atualização do fabrico.
Os lasers de fibra de alta potência ainda têm um longo caminho a percorrer.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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