Применение лазерных технологий в производственных процессах: текущие тенденции и технологические достижения

В современных производственных процессах лазерные технологии играют немаловажную роль, обеспечивая высокую скорость, гибкость и точность, а также возможность использования в различных промышленных отраслях. Такие технологии широко используются в различных процессах, начиная со сварки или резки металлов и сплавов и заканчивая микроструктурированием поверхностей и трехмерной печатью.

Рассмотрим более подробно важные достижения в области лазерных технологий, их роль в различных производственных процессах, современные инновационные разработки с реальными примерами применения в различных промышленных секторах, а также перспективы развития в будущем.

Общие принципы лазерных технологий

В основе современных лазерных технологий лежит использование высокоэнергетических лучей, с помощью которых производится обработка различных материалов. Сфера использования лазеров достаточно широка, она не ограничивается резкой и сваркой металлов. С помощью мощных лучей можно гравировать на поверхности материалов, производить маркировку и даже применять лазеры в трехмерной (3D ) печати.

Главные преимущества лазера – это высокая точность и возможность тщательно контролировать рабочие процессы даже на микронном уровне, что особенно актуально при создании деталей со сложной геометрией.

Технологические достижения

Рассмотрим подробнее, какие именно лазерные технологии используются в различных отраслях промышленности, их преимуществах и особенностях.

Лазеры высокой мощности

Развитие лазеров с высокой мощностью луча (например, волоконные лазеры мощностью до 10 кВт) способствовало существенному расширению возможностей использования лазерных технологий. Мощные лазеры стали применять не только для резки материалов, но и для сварки, закалки металлов или других технологических процессов, требующих высокой концентрации энергии в одной точке.

Повышенная мощность обеспечивает высокую скорость обработки, а также позволяет работать с более крепкими материалами, такими как никель, титан и другие высокотехнологичные сплавы.

Умные лазеры в системах управления

Благодаря интеграции искусственного интеллекта и машинному обучению в системы управления лазерами появились так называемые «умные лазеры». Их ключевое преимущество перед обычными системами – это возможность автоматически подстраиваться под разные условия работы. и другие параметры. Данные поступают в центр управления через внешние камеры и сенсоры. интеллекта обеспечило высокую эффективность рабочих процессов и позволило значительно улучшить качество готовой продукции.

Гибридные лазеры

Благодаря современным технологиям, появилась возможность комбинировать несколько типов лазеров в одном приборе. Это значительно расширило функционал устройства. Удачный пример гибридной системы – это волоконные и СО2-лазеры, которые одновременно могут выполнять два технологических процесса в одном цикле (например, сварка и резка металлов).

Использование гибридных систем позволяет снизить общее время рабочих процессов, а также снизить затраты энергоресурсов.

Лазерное микроструктурирование

По мере развития современных лазерных технологий открылись новые возможности в области создания поверхностей с особыми качествами. Это вызвало настоящий прорыв в медицинской промышленности, в области создания микроструктурированных поверхностей, обладающих улучшенной совместимостью с биологическими тканями. Использование лазеров позволяет создавать сверхсложные структуры с точностью до нескольких нанометров.

Ультракороткие импульсные лазеры

Среди наиболее перспективных направлений следует выделить развитие технологий с использованием ультракоротких лазеров. Их ключевое преимущество – это минимальное тепловое воздействие на материал, с которым они контактируют. Это позволяет эффективно работать с биологическими тканями и полимерами, не повреждая их структуру.

Такие лазеры используют в медицине и микроэлектронике, а также в других отраслях, где важно минимизировать тепловое воздействие при выполнении отдельных рабочих процессов.

Трехмерная лазерная обработка

Лазеры, которые могут производить трехмерную обработку материалов, все больше применяются в различных отраслях промышленности. Они могут создавать детали со сложными геометрическими формами, что невозможно сделать с помощью традиционных технологий обработки материалов. Наряду с системами автоматического управления, такие лазеры создают легкие и прочные детали для авиационной, космической и автомобильной промышленности.

Использование лазерных технологий в разных отраслях

Рассмотрим применение современных лазерных технологий в разных отраслях промышленности с конкретными примерами успешного использования.

Аэрокосмическая отрасль

Лазерные технологии массово используют при производстве деталей со сложной геометрической формой и минимальными допусками. Благодаря лазерам создают легкие и крепкие компоненты авиационных двигателей. В результате использования таких деталей уменьшается общий вес самолета, что позволяет снизить расход топлива во время полета.

Лазеры также применяют для обработки специальных покрытий, обладающих устойчивостью к воздействию высоких температур.

Медицинская промышленность

Благодаря использованию современных лазерных технологий открылись новые горизонты в медицине, а конкретнее – в области производства индивидуальных имплантов и специализированного инструмента. В результате лазерного микроструктурирования поверхности улучшается интеграция имплантов в костную ткань, что снижает риск отторжения и ускоряет заживление. сложных медицинских инструментов, которые невозможно было выработать с использованием традиционных технологий обработки материалов.

Автомобильная промышленность

Современные лазерные технологии используют большинство крупных автопроизводителей. С помощью лазеров изготавливают легкие и прочные детали (например, радиаторные решетки, элементы кузова и другие компоненты) с высокой точностью. Это улучшает динамические характеристики транспортных средств и снижает их общую массу. Высокоточное производство деталей со сложной конфигурацией особенно актуально при серийном производстве.

Электроника и производство полупроводников

Производство электронных компонентов и схем требует высокой точности и контроля за размерами компонентов, поэтому использование лазеров в этой области стало массовым явлением. Лазеры разрезают платы и сверлят отверстия, а также используются при создании схем на базе полупроводников. Лазерные технологии также используются в процессе производства оптоэлектронных компонентов и светодиодов.

Пищевая промышленность и сельское хозяйство

В сельскохозяйственной отрасли и производстве пищевых продуктов современные лазерные технологии начинают играть значительную роль. С их помощью обрабатывают семена, удаляют нежелательные части растений, а также наносят маркировку на упаковку продуктов, не используя чернила. Использование лазерных технологий позволяет сократить отходы на производстве и повысить качество продукции.

Строительство и архитектура

С помощью лазеров можно разрезать строительные материалы и производить сложные гравировки (например, на зеркале, стекле, металле, камне и других поверхностях). Лазеры также используются для создания сложных архитектурных форм и элементов декора, что открывает новые возможности в области дизайна интерьеров и строительства.

Технические параметры лазеров и их влияние на качество обработки

Качество обработки материалов напрямую зависит от таких технических параметров лазера, как скорость обработки, тип фокусировки, мощность и т.д. Чтобы повысить эффективность производства и качество продукции, а также минимизировать дефекты и снизить потребление энергоресурсов, необходимо осуществить оптимальную настройку ключевых параметров лазерных установок.

Рассмотрим более подробно основные характеристики лазерных систем и их особенности.

Мощность

От этого показателя напрямую зависит глубина, на которую может проникнуть лазерный луч, а также скорость процесса обработки. К примеру, для сварки стальных деталей толщиной 10 мм нужно использовать около 3 кВт энергии, тогда как для более тонких материалов, таких как алюминиевые листы толщиной 1 мм, достаточно 500 Вт. Следует понимать, что нужно тщательно подбирать мощность в зависимости от типа материала и толщины, так как неоправданное увеличение этого показателя с целью ускорения процесса может привести к деформации из-за перегрева.

Скорость обработки

Качество обработки материалов также зависит от скорости перемещения лазерного луча. Чем выше теплопроводность металла, тем большая скорость нужна. быть около 10 м / мин.

Фокусировка

На качество обработки материалов оказывает существенное влияние глубина и точность фокуса лазерного луча. Благодаря оптимальной фокусировке обеспечивается равномерное распределение энергии в точке контакта, что важно для работы с материалами разной толщины. Например, при работе с тонкими металлическими предметами фокусировка устанавливается на 0,1–0,2 мм ниже поверхности, что позволяет достичь оптимального качества обработки.

Вспомогательный газ

Посредством азота, кислорода или другого газа быстро удаляются продукты горения, что улучшает качество обработки. Например, при лазерной резке ржавостойкой стали использование азота не дает образовываться оксидной пленке, что обеспечивает чистую поверхность и не требует дополнительной обработки металла.

Качество лазерного луча

Ключевой показатель качества – это его модальность, то есть показатель распределения энергии по сечению луча. Чем меньше модальность, тем качественнее считается луч и тем точнее его фокусировка, обеспечивающая точный и чистый разрез. Это особенно актуально при работе с тонкими материалами, где важна высокая точность.

Длина волны и тип лазера

Для обработки разных материалов используют лазеры отдельных типов с конкретной длиной волны. Например, CO2-лазеры, имеющие длину волны 10,6 мкм, применяют для обработки пластика, текстиля и древесины, тогда как волоконные лазеры с длиной волны 1,06 мкм имеют максимальный эффект при взаимодействии с разными металлами.

Интеграция с роботизированными системами

Оснащение роботизированных систем лазерными головками позволяет выполнять сложные задачи, связанные с резкой, сваркой и другими видами обработки поверхностей. Благодаря такому симбиозу можно автоматизировать большая часть действий, уменьшить влияние человеческого фактора, понизить издержки на рабочую силу и повысить качество продукции.

Экологические аспекты

Современные лазерные технологии считают экологически безопасными, так как они нуждаются только в электроэнергии, которую можно брать из возобновляемых источников. К тому же, во время выполнения некоторых процессов не нужно использовать химические реагенты и другие расходные материалы. Это позволяет существенно снизить количество отходов и уменьшить до нуля загрязнение окружающей среды.

Перспективы развития лазерных технологий

Современные лазерные технологии продолжают стремительно развиваться, что открывает новые области их применения. Без них невозможно представить создание уникальных изделий со сложной конфигурацией, которые невозможно сделать с использованием традиционных методов обработки материалов. Лазеры все чаще используют в медицинской сфере, где с их помощью производят импланты для точной хирургии.

Эксперты прогнозируют увеличение использования лазеров в таких отраслях как сельское хозяйство, экологический мониторинг и пищевая промышленность.

Самое перспективное направление – это развитие и внедрение лазеров с ультракороткими импульсами. Благодаря им можно обрабатывать материалы с минимальным тепловым воздействием. Это особенно актуально при обработке материалов с повышенной чувствительностью, таких как полимеры и биологические ткани. Кроме того, эксперты возлагают большие надежды на использование лазеров совместно с другими процессами обработки материалов. Уже сейчас с помощью лазеров удалось скомбинировать механическую обработку и аддитивное производство, что открыло новые возможности изготовления сложных деталей с высокой точностью.

В современной промышленности лазерные технологии продолжают играть немаловажную роль. К тому же, по прогнозам экспертов, в будущем судьба использования лазеров в разных отраслях промышленности значительно увеличится. С помощью лазеров можно повысить эффективность и точность производства, снизить влияние на окружающую среду, минимизировать отходы и сделать большинство процессов автоматизированными. Уменьшение так называемого «человеческого фактора» позволит сэкономить на персонале, а также повысить качество процессов. Конечно, без человека обойтись невозможно, но вместо большого количества мастеров достаточно будет нанять одного технолога, выполняющего настройки оборудования и контролировать рабочие процессы. Появление лазеров высокой мощности, развитие искусственного интеллекта и другие современные технологии открывают новые возможности использования лазерных технологий в различных отраслях.

Благодаря инновационным разработкам предприятия могут достичь новых высот в производстве, повысить эффективность процессов, качество готовой продукции и минимизировать отходы.

Компания TSK Laser Innovative Laser Equipment занимается поставкой расходных материалов для оборудования, использующего современные технологии лазерной резки, сварки и очистки поверхностей. В каталоге продукции представлены защитные линзы и стекло, керамические держатели, сопла и другие компоненты.

Широкий выбор качественной продукции от TSK Laser Innovative Laser Equipment позволяет любым предприятиям из разных отраслей повысить эффективность и оптимизировать рабочие процессы.