突破市場(chǎng)的發(fā)展瓶頸 光纖激光切割將迎新時(shí)代

　　CO2激光器已經(jīng)達(dá)到了眾所周知的上限，從光纖激光技術(shù)迎來(lái)突破開(kāi)始，高功率光纖激光切割機(jī)已經(jīng)通過(guò)不斷地發(fā)展和進(jìn)化迅速找到了其在制造行業(yè)的位置。

　　CO2激光器的上限

　　30多年來(lái)，二氧化碳(CO2)激光器的功率和性能似乎已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)極限水平，消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)的CO2激光設(shè)備的功率大多在4-5kW范圍內(nèi)(偶爾也會(huì)購(gòu)買(mǎi)6kW的設(shè)備)。大約花了15年時(shí)間才使3kW的CO2激光器的銷售變?yōu)槌Ｒ?jiàn)，之后又花了5年才使得4kW的產(chǎn)品成為最終用戶的主流選擇。事實(shí)上，功率更高的CO2激光器(6kW及以上)的問(wèn)世已有很多年，可追溯到20世紀(jì)90年代。盡管高功率CO2激光器的銷量在21世紀(jì)略有增長(zhǎng)，但它們卻從未能夠媲美和接近4-5kW功率的產(chǎn)品的銷售額。

　　首先，隨著斬光器、電子控制快門(mén)、偏振元件、光束準(zhǔn)直和更好的控制元件等技術(shù)陸續(xù)應(yīng)運(yùn)而生，CO2激光技術(shù)在發(fā)展和演變的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了巨大的改進(jìn)。由于這些技術(shù)發(fā)展在很大程度上改善了CO2激光器的性能，從而賦予產(chǎn)品更好的易用性。之前，行業(yè)需求還不是以強(qiáng)調(diào)如今的多款式，小批量趨勢(shì)為主，直至2000年這一策略發(fā)生了變化。然而，行業(yè)仍然在發(fā)生各種變革，而制造業(yè)的生產(chǎn)效率也在提高。由于CO2激光器得到了改善，也一并帶動(dòng)了產(chǎn)品的需求和銷量。但無(wú)論怎樣，CO2激光器的價(jià)格仍然相對(duì)昂貴，而且需要大量的電源和維護(hù)需求。

　　90年代中期，激光技術(shù)已漸漸進(jìn)入了強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)期，直到2000年，激光技術(shù)已經(jīng)超越?jīng)_壓技術(shù)成為了制造業(yè)首選的主流加工“利器”。因此，制造戰(zhàn)略迅速得到變遷，精簡(jiǎn)成為關(guān)鍵字，而“多品種，小批量”繼而成為了高效制造的新準(zhǔn)則。這個(gè)準(zhǔn)則要求的是“即時(shí)(justin-time)生產(chǎn)”，而激光便成為了理想的工具，因?yàn)樵诠ぜD(zhuǎn)換的過(guò)程中，這一加工技術(shù)能夠減少或消除設(shè)置時(shí)間。

　　4-5kW功率的激光器對(duì)于99%的切割工件而言都是非常適合的選擇。那么，為什么6kW功率或以上的CO2激光器沒(méi)有統(tǒng)領(lǐng)市場(chǎng)呢?很難得到一個(gè)明確的答案，但可以肯定的是多重因素造成了這一現(xiàn)象。我們知道，這些高功率的機(jī)器使用氮?dú)馇懈顣r(shí)的加工速度要高于低功率的激光器。較高功率的點(diǎn)密度能夠使材料得到更快的汽化，繼而使加工頭獲得更快的運(yùn)動(dòng)速度，并且加速切割過(guò)程。其直接的結(jié)果是使用氮?dú)飧斓厍懈盍慵?，提升整體的生產(chǎn)效率;同時(shí)，清除下游噴漆或焊接操作所產(chǎn)生的氧化層的二次處理工藝也得到了剔除。

　　氧化是使用氧氣(O2)作為輔助氣體后所產(chǎn)生的一種常用副產(chǎn)物。為了幫助說(shuō)明一款6kW功率的CO2激光器和一款4kW的CO2激光器使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體來(lái)切割1/4英寸的低碳鋼所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)，4kW的激光器每分鐘約切割的材料為60-80英寸，而6kW的激光器每分鐘的材料切削率為110-120英寸。除了加工速度更快之外，高功率的CO2激光器也能夠提升材料的加工厚度，賦予車(chē)間加工厚型不銹鋼、低碳鋼和鋁材更好的能力。鑒于此，似乎該技術(shù)是朝著更高效、更高產(chǎn)的進(jìn)化過(guò)程蛻變的一個(gè)合乎邏輯的步驟。

　　然而，這也從某些層面反映出CO2激光器似乎已經(jīng)達(dá)到眾所周知的上限。伴隨CO2激光器功率的增加，機(jī)器的運(yùn)行成本、零部件數(shù)量、電力消耗和整體維護(hù)成本等也相繼增加。在資本投資與增加的運(yùn)營(yíng)成本Vs.生產(chǎn)效率和提升的產(chǎn)能之間產(chǎn)生了不同的權(quán)衡，繼而引導(dǎo)采購(gòu)者再次回歸選擇使用4–5kW功率范圍的CO2激光器。

　　光纖激光技術(shù)迎來(lái)突破

　　2000年以后，激光器的銷售高歌猛進(jìn)，并長(zhǎng)時(shí)間在市場(chǎng)份額上超越?jīng)_床。2005年， 光纖技術(shù)成為了激光切割的一個(gè)時(shí)髦詞，盡管光纖激光設(shè)備在美國(guó)部分市場(chǎng)占據(jù)一定的銷售份額，但早期的銷售多集中在歐洲的制造市場(chǎng)。事實(shí)上，主要的激光原始設(shè)備制造商(OEM) 尚未在他們的生產(chǎn)線中引入光纖激光技術(shù)。2005年至2010年期間，光纖激光技術(shù)和設(shè)備在美國(guó)的銷量非常小，銷售的產(chǎn)品的最大功率約為2kW。直至2010年在德國(guó)漢諾威舉行的歐洲國(guó)際金屬板材加工技術(shù)展覽會(huì)(EuroBLECH)以及2011年美國(guó)國(guó)際金屬加工及焊接展覽會(huì)(Fabtech)上，數(shù)家大型的OEM廠商展示了他們新研發(fā)的光纖激光技術(shù)后，光纖激光器才在美國(guó)迎來(lái)了其初次亮相的盛會(huì)。

　　圖1：Amada 美國(guó)公司的LCG AJ光纖激光切割機(jī)能夠提供6kW功率的產(chǎn)品。

　　即便如此，2011年，光纖激光器在所有用于切割應(yīng)用的激光器產(chǎn)品銷售中僅占據(jù)約5-10%的份額。然而，一些制造商已經(jīng)開(kāi)始推出4kW功率的產(chǎn)品。在2014年于亞特蘭大舉行的Fabtech展上，光纖激光器是唯一在展覽會(huì)上展示的激光切割設(shè)備，展品的功率介于2-12kW(圖1)。在同一時(shí)段，相比CO2激光器，光纖激光器的銷售比例已急劇上升，2015年，光纖激光器的銷量顯示首次超過(guò)了CO2產(chǎn)品。

　　從2005年到2010年，光纖激光器的銷量依然適中。原因可能有幾個(gè)，但最需提升的是熟悉性和舒適水平。在這一期間，能夠提供這一選項(xiàng)的大型OEM廠商非常少，而最終用戶也不確定這一光纖激光技術(shù)究竟是會(huì)被真正接受或只是曇花一現(xiàn)。隨著越來(lái)越多的OEM廠商開(kāi)始推出光纖激光設(shè)備后，這一技術(shù)領(lǐng)域才真正迎來(lái)了正統(tǒng)性。

　　光纖激光新時(shí)代的來(lái)臨

　　隨著光纖激光器逐漸發(fā)展到如今的規(guī)模，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。當(dāng)?shù)谝淮瓮瞥鰰r(shí)，產(chǎn)品的主要賣(mài)點(diǎn)之一是與CO2激光器相比所實(shí)現(xiàn)的低運(yùn)行成本。光纖激光器的操作成本僅是CO2激光器的一小部分，并且相較其它可替代的切割方法而言成本也更低，主要因?yàn)楣饫w激光器無(wú)需維護(hù)成本。但更重要的是，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性意味著功率的增加并不會(huì)顯著增加耗材，電力損耗或維護(hù)成本等。

　　圖2：6kW的LCG AJ光纖激光器使用氮?dú)饽軌蛞?00IPM的加工效率加工1/4英寸的低碳 鋼，而6kW的CO2激光器每分鐘的材料切削率為110–120英寸。

　　事實(shí)上，提高功率的限制因素主要圍繞著提高激光二極管和模塊，同時(shí)保持高品質(zhì)的激光束的能力。這么做，功率得以增加，從而能夠?qū)Ω竦牟牧线M(jìn)行快速加工。今天，6kW的光纖激光器使用氮?dú)饽軌蛞?00IPM的加工效率加工1/4英寸的低碳鋼。如果你還記得，6kW的CO2激光器每分鐘的材料切割率僅為110–120英寸。

　　因此，我們可以假設(shè)，光纖激光器急劇增加的功率是受到市場(chǎng)的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。光纖激光器與其它類型的下料法如等離子切割和水射流技術(shù)相比也更理想，因?yàn)楣饫w激光器可有效地切割厚板，其波長(zhǎng)也有利于切割銅等獨(dú)特的材料(圖3)。

　　圖3：光纖激光器能夠有效切割銅等獨(dú)特的材料

　　如今，光纖激光器的切割頭僅配置少量的光學(xué)部件，再加上一個(gè)切割噴嘴。光纖激光器的運(yùn)行成本通常介于每小時(shí)1-3美元之間，取決于這些成本所包含的加工元素以及它們的計(jì)算方式。隨著第一代光纖激光器綜合能力的提升，使得光纖激光器幾乎成為當(dāng)前所有下料工藝的一種具有吸引力的替代解決方案。

　　考量要素

　　當(dāng)然，還有些附加點(diǎn)必須注意，高功率的光纖激光正努力在制造過(guò)程中維持均勢(shì)。很多人可能會(huì)認(rèn)為這些都是“積極”的層面，但它們?nèi)孕枰玫礁嗟囊?guī)劃。一臺(tái)6kW功率的光纖激光機(jī)的速度顯著要高于4kW和2kW的光纖激光機(jī)，同時(shí)加工速度也超過(guò)任何CO2激光機(jī)系列產(chǎn)品。如果在生產(chǎn)線中融入等離子切割和水切割單元，這臺(tái)一體機(jī)在相同或更少的占地面積條件下，其生產(chǎn)能力將是之前的工藝操作的二倍甚至三倍。

　　這種超負(fù)荷生產(chǎn)的能力已經(jīng)迫使制造商重新考慮物料處理和折彎操作等下游加工工藝。一個(gè)平衡的生產(chǎn)流程管理系統(tǒng)可以通過(guò)一臺(tái)高性能的機(jī)器得到輕易改變，這往往意味著， 接下去的資本投資可能需要集中在折彎工藝， 例如自動(dòng)換刀折彎?rùn)C(jī)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域。那么就材料處理來(lái)說(shuō)又是如何的呢?這些都是之前沒(méi)有被認(rèn)真考慮的問(wèn)題，但毋庸置疑，高功率的光纖激光器將提高生產(chǎn)線整體的生產(chǎn)能力。　

　　圖4：光纖激光器加工厚型板件的示例

　　綜上所述，高功率光纖激光器已經(jīng)通過(guò)不斷地發(fā)展和進(jìn)化迅速找到了其在制造行業(yè)的位置。與低功率產(chǎn)品相比，它們的操作性能一樣便利。相比同等功率范圍的CO2激光器，光纖激光器任何額外的資金投入都可以通過(guò)其顯著提高的產(chǎn)能和更低的運(yùn)行成本得到抵消。此外，光纖激光器加工厚板(圖4)的能力也使其成為等離子切割和水切割等工藝的理想的替代解決方案。

　　行業(yè)已漸漸揭開(kāi)了光纖激光技術(shù)這層朦朧的面紗，光纖激光器已經(jīng)儼然成為攻克小批量訂單和高產(chǎn)能之間空間日益縮小的難題的高效(落料)解決方案，能夠向生產(chǎn)商提供高功率、更高的產(chǎn)量、更低的成本、更大的靈活性以及更高的利潤(rùn)。