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能源环境新闻

精密激光制造和服务发展前景分析

星之球科技 来源:中国光谷激光行业协会2012-03-05 我要评论(0 )   

激光技术是20世纪重大发明之一,近年来,随着激光技术的日新月异,全球激光产业发展迅速。2008年,全球激光加工设备制造销售额达到80亿欧元,预计到2010年,全球激光加...

        激光技术是20世纪重大发明之一,近年来,随着激光技术的日新月异,全球激光产业发展迅速。2008年,全球激光加工设备制造销售额达到80亿欧元,预计到2010年,全球激光加工市场平均增长率约为13%。美国、日本、德国、英国等国家激光产业的发展代表了世界激光产业最高发展水平,它们在制造业,如汽车、电子、航空、航天、生物医学等领域已基本完成了传统工艺的更新换代,步入“光加工”时代。
精密激光制造和服务行业作为一个新兴行业,发展前景广阔,各国都比较重视。随着激光加工技术的不断完善和提高,国际上各类制造业逐渐接受了激光加工技术,这样可使他们的产品增加技术含量,加快产品更新换代,发达国家已逐步形成了完善的激光制造和服务产业群体。
发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技术的制高点,赢得主动权,纷纷加紧实施激光产业发展计划,如美国的“激光核聚变计划”,德国的“光学促进计划”,英国的“阿维尔计划”,日本的“激光研究五年计划”等。这些项目的实施,有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。德国已广泛地将激光应用于汽车、钢铁、航天、电子、医疗等各个行业,激光与光学产品在全世界销售额每年以10%到20%的速度增长。
各国积极出台相关政策,建立国家级激光工程中心,广泛开展激光工程应用研究。德国建立了9个国家级激光中心,韩国政府2001年投入7.3亿美元,在光州建立激光工程研究所,成为全球七大激光研究所之一。
国际知名公司也都将先进的激光技术作为研发的重点,并投入巨大资金,力求在技术上掌握全球竞争的主动权。德国Trumpf公司每年投入约7000万美元的研究经费,建立了全球最为先进的激光工艺试验中心,开发的C02激光器最高功率已达20000W。德国IPG公司开发了目前全球最为先进的光纤激光器制造技术,技术应用广泛渗透到重金属切割、铜焊、熔覆以及焊接等核心领域。
发达国家在汽车、飞机、微电子、钢铁等行业已开始大规模地应用激光加工技术,激光
在这些领域的应用达到激光设备销售额的60%以上。美国是最早将高功率激光器引入汽车工业的国家,在激光医疗及激光检测方面也占世界首位,德国在激光材料加工设备方面走在世界前列。
通用、福特、奔驰、大众、丰田等汽车制造商均在汽车的车身装配中大量使用焊接工艺,为企业带来了巨大的经济效益。例如,福特汽车公司用5米长的光纤将2kW的Nd:YAG激光传输到装在IR761/125型机器人的焊头上,用于车身装配,大大提高了焊接效率和效果。波音、空中客车等飞机制造公司广泛运用激光技术进行焊接、切割、打孔、表面硬化等。
激光在工业生产中的应用还包括:大规模集成电路的光刻技术,印刷电路板打孔技术,钟表零件制造与首饰加工等领域。西门子公司在一条流水线上就采用400多台激光设备。
半导体激光器和半导体泵浦固体激光器以自身所具有的高光电转换效率、更小的体积,以及更优化的激光模式等优势,应用在工业激光加工、激光医疗等多个领域,成为激光加工设备的主导方向。
激光技术对产品投入产出比和技术基础的优化作用更加明显,融合在产品与服务中的技术含量越来越高。激光打标机和彩色打标机,其控制软件实现了根据不同的颜色要求,控制不同波长的激光,不同工作时间的输出,提高了激光标记设备的使用范围。
激光技术与其它学科的融合以及应用领域范围的不断扩大,如利用激光对出土文物进行清洗与保护,利用水柱导光实现硅片的精密切割,利用激光检测水果甜度和果肉软硬程度,实现非金属材料焊接,以及激光美容技术等。
激光材料加工是激光技术应用的基础和支柱产业,根据国际激光产业界统计,激光材料加工产值占激光加工总产值的比例最大,达到26%。2000年,全球范围内以激光为主的光电子产业总产值1800亿美元,科学界预测,到2010年产值将达到4500亿美元,以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模,到2015年,光子产业可能会取代传统电子产业,光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步(资料来源:武汉市光电子信息产业发展主要情况)。
激光的精密制造与服务主要应用于精密机械以及电子工业中,精密激光制造和服务典型的应用是SMT模板、精密金属零件、FPC切割、HDI钻孔及激光打标。
精密激光切割的一个典型应用就是切割印刷电路板PCB中表面安装用模板。传统的 SMT模板加工方法是化学刻蚀法,其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚,并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。采用激光加工,不仅可以克服这些缺点,而且能够对成品模板进行再加工,特别是加工精度及缝隙密度明显优于化学刻蚀法。
激光精密焊接方面,激光焊接热影响区很窄,焊缝小,尤其可焊高熔点的材料和异种金属,并且不需要添加材料。利用固体激光器进行缝焊和点焊,已有很高的水平。另外,用激光焊接印刷电路的引出线,不需要使用焊剂,并可减少热冲击,对电路管芯无影响,从而保证了集成电路管芯的质量.
激光精密切割与传统切割法相比,激光精密切割有很多优点,激光能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小,并可以节省15%-30%的材料。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力,故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料,加上激光光斑小、切缝窄,所以特别适宜于对细小部件作各种精密切割。
与机械、化学、电铸和借助模具等传统的制造手段相比,激光制造在材料加工中具有明显的优势。激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度,其空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,因此特别适用于自动化加工。
目前全球已开发出20多种激光加工技术,对于精度和结构复杂的产品,以及设计变化多、数量少的研发样品,可以用激光直接量产、省去模具使用(模具生产周期长、成本高)。激光应用技术已成熟的包括:激光切割、激光成形、激光钻孔、激光焊接、激光划线、激光表面处理等。
激光由于其具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度等特性,随着技术的进步,日益广泛地被应用于各类制造服务中,精密激光正不断地渗透入传统加工中。传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求,如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔;在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等,用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密度高达108W/cm2,可在短时间内将材料加热到熔点或沸点,可以很容易地在上述材料上实现打孔。与电子束、电解、电火花和机械打孔相比,激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。激光精密打孔已经达到很高的水平,可以加工直径从20um到80um的微孔,并且其直径与深度之比可达1:80。激光束还可以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔、方孔等,这些都是普通机械加工无法做到的。 #p#分页标题#e#
精密激光制造是新兴的加工方法,正在渗透入传统制造中,逐步替代和突破传统的制造方法,未来发展空间巨大。激光技术应用是当今全球发展最快、最活跃的高技术产业之一,在传统制造领域,如汽车、电子、电器、航空、冶金、机械等制造领域,激光正在替代传统的机械、化学等加工工艺,实现对金属和非金属材料的切割、焊接、表面处理、钻孔以及微加工等。与此同时,随着激光加工技术的不断进步以及工业化生产的不断升级,激光加工领域不断拓宽,作为新的应用领域,高科技材料(如单晶硅、不易加工的金属等)的应用增长迅速,其中的激光应用销售市场也在快速增长,在工业生产中应用范围越来越广,激光在工业生产中的应用还包括:大规模集成电路的光刻技术,印刷电路板打孔技术,钟表零件制造与首饰加工等领域。
激光制造比传统制造的优势:

 

社会分工越来越细,专业化程度越来越高,是历史发展的必然趋势。企业竞争优势的大小主要是由生产要素中最薄弱的要素来决定,企业要将每个要素都做到最好是不现实的,世界上没有一个全能企业。现代企业专注于把内部资源集中在最具核心优势项目上,而把非优势项目外包,这是提升竞争优势的有效路径。业务外包已成为当今全球新一轮产业革命和转移中不可逆转的必然趋势。精密激光制造和服务外包必要性主要体现在:
第一、减少浪费性竞争。生产精密激光加工产品不仅要求投入大量的资金用于购买激光加工设备,同时由于应用技术性强还要配备相关的专业技术人员。通过将精密激光制造外包,可以节省大量资金和人力投入。
第二、获得规模经济。通过协作外包建立大规模专业化分工体系,可以从规模经济中获得经济效益,使各参与分工的单位分享规模经济带来的利益。
第三、降低企业成本。相对于机械、电化等传统的加工手段,精密激光加工设备价值高昂,外包有利于提高加工设备的利用率,降低加工成本。大企业可以通过生产一体化来降低生产成本,但是分工过细又会使一体化的成本上升。当大企业的市场交易成本小于一体化成本时,大企业往往通过分工协作方式,将部分业务外包,通过市场交易来满足自己所需的服务或中间产品,从而降低企业的总成本。
从国外多年应用的实际情况来看,精密激光制造和服务专业化程度和外包比例较高,这是和现代制造业社会分工专业化、规模化、标准化相吻合,也是市场经济充分竞争的必然结果。精密激光制造投资大,技术要求高,精密激光制造需求一般通过外包方式来实现,精密激光制造和服务专业化是一种有效的经营模式,由此催生了一批专业从事精密激光制造和服务的企业,带来了精密激光制造和服务行业的出现和发展。

精密激光制造和服务行业的发展趋势
1、专业化精密激光制造和服务是未来激光行业的发展方向
由于人们对器件尺寸的要求越来越小,物理尺寸也越来越小,需要精度更高、加工速度更快、加工尺寸越小的技术出现,激光是最有竞争力的技术之一。诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman早在50年代末就曾预言,制造技术将沿着从大到小的途径发展,即用大机器制造出小机器,用这种小机器又能制造出更小的机器,并由此在微小尺度领域制造出一代代的批量加工工具。科学技术的革命证实了Feynman的预言。微电子技术的出现就是最有说服力的例子,从集成到大规模集成到超大规模集成技术的迅猛发展中,已经显示出未来的制造技术必将沿着“越来越小”的方向进军。20世纪把电子技术的主要功能高度集成在一起,形成了世纪标志的高技术产业,并渗透到人类活动的各个领域。21世纪则是多门学科的集成技术,即把微电子、微光学、微机械以及传感器、执行器的信号处理单元集成在一起的微纳制造和微系统技术。微纳制造技术与功能微系统将成为21世纪高新技术与产业的里程碑,其发展将使人类在认识和改造自然的能力上达到一个新的高度,导致人类生活和社会物质文明及科学技术的巨大变革。精密加工正是这种需要下发展起来的,精密激光制造和服务是未来制造的发展方向。
2、我国精密激光制造和服务的渗透率还很低,发展空间巨大。
精密激光加工技术属于高精尖技术,需要对光学、材料学、机械、电子自动化等多门学科进行综合应用。激光加工系统与计算机数控技术相结合,成为优质、高效和低成本的加工生产手段,对传统工业尤其是装备制造业的改造和技术提升发挥着越来越重要的作用。
目前,我国产业领域对精密激光应用的认识还比较缺乏,精密激光加工的应用推广还很不足,精密激光的行业渗透率还很低,巨大的应用市场有待开发。根据《中国激光产业发展的对策和措施》调查,国外已建立有约5000个激光加工站,而我国现只有120个左右的激光加工站或加工中心,具有很大的发展潜力。
加工手段升级、世界制造业重心向中国转移以及环境保护是推动我国精密激光加工市场需求快速增长的三大驱动力。在精密激光制造与服务业,SMT模板制造中激光加工法已替代原有的化学蚀刻法,精密金属零件、激光成型、HDI钻孔正由于激光技术的应用而在加工方面取得新的突破。
3、精密激光制造和服务行业是个新兴的行业,正处于成长初期。
精密激光制造和服务行业是新兴的行业,精密激光制造和服务行业有技术先于市场,技术引导市场的特征,随着激光技术的发展,越来越多的激光制造技术应用于传统制造中,激光制造技术正不断地替代和突破传统的制造技术。激光制造和服务正在广度和深度方面不断地渗透到传统制造中,行业发展前景相当广阔。目前激光制造和服务行业正在逐步形成并不断地发展壮大过程中,经过几年的积累,目前正处于生命周期中的成长初期
与此同时,随着激光加工技术的不断进步以及工业化生产的不断升级,激光加工领域不断拓宽。精密激光正不断地替代和突破传统制造,每替代或突破一项传统制造方法,都将带来精密激光应用的发展,随着越来越多的替代和突破,精密激光制造业将呈现跨越式增长,未来发展空间巨大。

 

精密激光制造业跨越式发展图

 

 

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