Nos últimos anos, a tecnologia laser tornou-se cada vez mais importante na produção industrial. O avanço da indústria de manufatura em direção a processos de transformação inteligentes e de ponta tornou difícil para a tecnologia de processamento tradicional atender às demandas do mercado por maior eficiência e precisão na produção de produtos.
A tecnologia laser, com sua alta eficiência, baixo consumo, mínima deformação do material e adaptabilidade ao objeto de processamento, aumentou sua taxa de penetração em todos os aspectos da produção industrial e tornou-se uma ferramenta indispensável na fabricação de alta qualidade.
A indústria do laser teve um rápido desenvolvimento nos últimos anos, com maior estabilidade e maior potência. O lançamento de lasers de fibra de 10.000 watts e produtos de equipamentos de processamento tornou-se uma ocorrência comum, com notícias semelhantes sendo divulgadas uma ou duas vezes por mês.
Não podemos deixar de nos perguntar por que todo mundo está pressionando por lasers de fibra com mais de 10.000 watts e se uma potência maior é sempre melhor para lasers de fibra. Também questionamos o tamanho do mercado de laser de fibra de alta potência e as soluções técnicas disponíveis.
Para entender melhor o mercado, realizamos entrevistas com empresas representativas da cadeia da indústria de laser de fibra, incluindo aquelas que já lançaram lasers de fibra de 10.000 watts, aquelas que planejam fazê-lo, e fabricantes de laser de fibra e fabricantes de equipamentos downstream. Nosso objetivo era ser abrangente e objetivo.
Durante nossa pesquisa de um mês, visitamos vários fabricantes de laser de fibra, fabricantes de equipamentos, especialistas técnicos na indústria de laser de fibra e especialistas de mercado. Nossas descobertas indicam que o estado atual dos lasers de fibra de alta potência ainda tem um longo caminho a percorrer.
Nota: Neste artigo, lasers de fibra de alta potência referem-se àqueles com potência de mais de 10.000 watts, a menos que especificado de outra forma.
A situação atual do mercado de 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 demanda por processamento de chapas de espessura média, as máquinas de corte a laser de alta potência com vantagens claras estão se tornando as novas favoritas do mercado.
Em comparação com máquinas de corte a laser de pequena e média potência, as máquinas de corte a laser de alta potência são mais eficientes para processar placas da mesma espessura. O aumento significativo na potência também levou a uma atualização revolucionária no processo de corte, reduzindo os custos de processamento para os usuários e resolvendo problemas importantes como “produção instável de chapas grossas de aço carbono”.
Em 2017, os principais fabricantes de equipamentos a laser, como a Hans'laser, lançaram equipamentos de corte a laser de 12KW e realizaram remessas 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 o equipamento de corte a laser de 15KW, outros fabricantes seguiram o exemplo e lançaram seus próprios produtos de 15KW. Em 2019, a Hans'laser atualizou 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, com a potência mais alta dos lasers de fibra de 30KW agora disponíveis no mercado. A potência aumentou de 12KW para 20KW, 25KW e além.
Qual é a dificuldade dos 10.000+watt equipamento?
Os componentes funcionais tornaram-se a principal limitação. Apesar do rápido desenvolvimento de aplicações de laser de alta potência, a estabilidade dos componentes funcionais está dificultando o desenvolvimento de equipamentos de corte a laser de ultra-alta potência. O crescimento da potência da cabeça de corte ficou atrás do crescimento da potência das máquinas de corte a laser e a laser.
Os principais componentes da cabeça de corte a laser são bicos, lentes de foco e sistemas de rastreamento de foco.
Bicos
Os bicos são os consumíveis mais comumente usados em máquinas-ferramentas de corte a laser de fibra e existem três tipos principais: paralelo, convergente e cônico. A qualidade do corte está intimamente relacionada ao formato e tamanho do bico.
Lente de focagem
A lente de foco é o componente principal 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 demanda do mercado por lasers de alta potência, a profundidade focal e o ponto focal das lentes tradicionais são limitados. Aumentar a profundidade focal resultará em uma expansão do tamanho do ponto focal, que em muitos casos não atende aos requisitos do processamento a laser. Como resultado, há uma demanda crescente por lentes de foco com longa profundidade focal e alta resolução.
Tanto a distância focal quanto a posição de foco da lente de foco afetam a qualidade do corte a laser. Lentes de distância focal curta são adequadas para corte em alta velocidade de materiais finos, enquanto lentes de distância focal longa são adequadas para corte de peças grossas.
Sistema de rastreamento de foco
O sistema de rastreamento de foco de uma máquina de corte a laser é geralmente composto por uma cabeça de corte de foco e um sistema de sensor de rastreamento. Durante o processamento da máquina de corte a laser, o sistema de rastreamento evita colisões e cortes irregulares, processa gráficos rapidamente e reduz a taxa de produtos defeituosos.
Atualmente, existem dois tipos principais de sistemas de rastreamento: um sistema de rastreamento de sensor capacitivo, também conhecido como sistema de rastreamento sem contato, e um sistema de rastreamento de sensor indutivo, também conhecido como sistema de rastreamento de contato.
A Precitec domina atualmente o mercado nacional de cabeças de corte de alta potência. A maioria das máquinas de corte a laser com potência superior a 10.000 watts estão equipadas com cabeças de corte Precitec. À luz disto, alguns fabricantes chineses de laser e equipamentos têm feito esforços para recuperar o atraso e aumentaram o seu investimento em I&D em cabeças de corte para a estabilidade dos seus equipamentos laser de alta potência. Eles alcançaram certos resultados, com algumas empresas lançando cabeças de corte que podem suportar potência ultra-alta de 15 kW e alcançando produção em massa. A tecnologia para cabeças de corte de 30 kW também fez um avanço.
Qual é a dificuldade da cabeça de corte de alta potência?
De acordo com um pesquisador sênior com vasta experiência em pesquisa de laser de fibra, para obter uma saída maior de laser de fibra, como um laser de fibra de 10.000 watts, combinar vários lasers de fibra de média potência é um método eficaz. O componente chave neste processo é o combinador de fibras.
Portanto, o combinador de feixes, a tecnologia de gerenciamento térmico no combinador de feixes e a qualidade do feixe de saída após o combinador de feixes são cruciais para lasers de fibra de alta qualidade e alta potência na indústria atualmente. A maioria das novas aplicações que envolvem lasers de fibra de alta potência exigem feixe de alta qualidade. Essas três perspectivas podem ser comparadas para determinar a estabilidade, confiabilidade e avanço tecnológico de um determinado laser de fibra de alta potência.
No campo militar, os lasers de fibra utilizam principalmente a combinação de feixes espectrais para atingir alta potência, mas no campo industrial, não houve inovação tecnológica na China e a combinação de feixes ainda é conseguida principalmente através do uso de múltiplos módulos de fibra única. Por exemplo, vários módulos de 2.000 W e 3.000 W são usados para combinação de feixes para obter um laser de fibra de 10.000 W.
A alta potência do feixe combinado converge no projetor e, se o projetor não for capaz de transportar uma potência tão alta, ele estará sujeito a queimar. O combinador de alta potência é principalmente importado do exterior e apenas alguns fabricantes nacionais podem produzi-lo. Além da lacuna 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, ao usar 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 mais alto nível da indústria. De acordo com especialistas da indústria, as cabeças de corte nacionais são usadas principalmente para cabeças de corte correspondentes de baixa potência, enquanto as cabeças de corte estrangeiras são usadas principalmente para lasers de alta potência acima de 6.000 W.
Para corte a laser de alta potência, a estabilidade da cabeça de corte é um grande problema. As dificuldades na cabeça de corte refletem-se principalmente nas técnicas de revestimento da lente, no design do caminho óptico, no sistema de resfriamento e no posicionamento do motor.
Revestimento de lente técnicas
O maior desafio para cabeças de corte de alta potência são as lentes. À medida que a potência do laser aumenta, também aumenta 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 superaram esse desafio fazendo avanços na tecnologia de revestimento de lentes. Atualmente, as cabeças de corte no mercado podem suportar de forma estável uma potência de 15 kW.
Óptico caminho projeto
Depois das lentes, outro grande desafio é o design óptico. O modo de zoom da cabeça de corte de alta potência consiste principalmente na colimação do zoom da lente, que é diferente da cabeça de corte tradicional de baixa potência que usa zoom de lente de foco. Para cabeças de laser de alta potência, se o colimador se aproximar da fibra, a densidade de potência aumentará.
Sistema de refrigeração
Além do processo de revestimento da lente e do design do caminho óptico, os sistemas de resfriamento e o controle de precisão do motor da cabeça de corte também são problemas desafiadores em cabeças de corte de alta potência. Durante o corte da chapa, o aumento da potência do laser traz mais energia e aumenta a probabilidade de aumento de temperatura na lente e no bico de corte. O arrefecimento deve ser assegurado através de refrigeração a água ou outros métodos de refrigeração.
Posicionamento do motor
Em termos de controle do motor, métodos de feedback são implementados no motor para corrigir sua posição através de feedback, garantindo um posicionamento mais preciso e maior velocidade de resposta no foco.
Quanto maior a potência, melhor?
Os lasers de fibra de alta potência são usados principalmente para corte e soldagem a laser no campo industrial. A crença de que quanto maior a potência, melhor é predominante entre muitas empresas de laser que entrevistamos, que introduziram o conceito de “potência limite”. Eles acreditam que, para aplicações de corte a laser, há um limite para a potência do processo de corte, além do qual a qualidade e a velocidade do corte não melhorarão mais. Em alguns casos, mudar para outros lasers, como excimer ou lasers de CO2, pode ser mais econômico.
Essas empresas geralmente acreditam que para o mercado industrial, 6 kW podem atender mais de 95% da demanda de corte, e os lasers de fibra com mais de 6 kW são um mercado pequeno na área de corte. A introdução de equipamentos de corte a laser de fibra de 12 kW, 20 kW e 30 kW apenas demonstra a demanda por equipamentos laser de alta potência no mercado, mas este é um requisito específico para uma pequena faixa e não há necessidade de aplicações em grande escala. Conseqüentemente, os lasers de fibra de alta potência são considerados uma direção de desenvolvimento até que os lasers de fibra não tenham ultrapassado 10.000 watts.
No entanto, no processamento de materiais especiais difíceis de cortar, os lasers de baixa potência são lentos e o efeito de corte é fraco. Materiais de alta reflexão também requerem maior energia para atender às necessidades de processamento, onde são usados lasers de 10.000 watts. Os fabricantes de equipamentos a laser relataram que os lasers de alta potência são usados principalmente no mercado de processamento, e a demanda dos clientes empresariais no mercado de processamento é principalmente por lasers com potência entre 6.000-8.000 W. A capacidade de todo o mercado está intimamente vinculado à macroeconomia nacional.
Corte de aço inoxidável – eficiência de até 400%
Corte de aço carbono –hcorte em alta velocidade de chapas médias e finas com ar em vez de oxigênio
De acordo com a figura acima, a potência limite de corte da superfície brilhante do aço carbono é determinada pela espessura da placa. Se a potência real for menor que a potência limite, a velocidade de corte aumentará à medida que a potência aumentar. Porém, 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 mudará.
A maioria dos fabricantes de laser ainda vê 3.000-8.000 W como a principal área de competição do mercado, apesar de possuir a tecnologia e protótipos de lasers de 10.000 watts. Isto se baseia no poder limitado do processamento industrial.
Porém, há outra perspectiva onde quanto maior a potência, seja ela instantânea ou média, melhor será a capacidade de processamento do laser como ferramenta e fonte de calor no processamento a laser. Isso foi comprovado através da aplicação de produtos de laser de fibra de 15 kW/20 kW em processamento de potência ultra-alta e efeitos de tratamento térmico, que apresentam desempenho melhor em comparação com lasers de fibra de 6.000 W.
Os produtos atuais com capacidade de 10.000 W podem cortar com eficácia chapas médias a grossas, como as de aço carbono, eliminando a necessidade de processos adicionais de retificação.
À medida que as capacidades e a produção dos lasers de alta potência continuam a melhorar, os usuários provavelmente mudarão para esses lasers quando os benefícios superarem os custos.
O limite de fusão para metais é fixado em um milhão de watts por centímetro quadrado, enquanto o limite para modificação de superfícies metálicas é de 10.000 watts por centímetro quadrado.
Com base nesses dois dados básicos, é provável que a potência do laser com capacidade de 100.000 watts ou mesmo um milhão de watts se torne mais comum no futuro.
Os lasers de alta potência têm uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo transporte ferroviário, aeroespacial, construção naval e aplicações militares.
No domínio da soldagem naval, os lasers de alta potência são adequados, embora ainda não tenham sido implementados na China.
E quanto ao custo?
A vantagem da tecnologia laser é a sua alta qualidade e eficiência, devido à qualidade da transmissão da fibra óptica e à eficiência da conversão fotoelétrica. Quanto maior a potência, mais profundo será o processamento e mais rápida será a velocidade de soldagem.
No entanto, estas vantagens e desvantagens são interdependentes. Para as empresas de alta tecnologia, o investimento em tecnologia e I&D de produtos é a primeira categoria de custos, exigindo investimento em talentos, fundos e tempo correspondentes. Alguns componentes principais não podem ser adquiridos internamente e matérias-primas como fibra óptica, fonte de bombeamento, combinador, grade e sistemas de controle de circuito devem ser adquiridas, às vezes representando até 70% do custo total.
Então, por que as empresas adotam lasers de alta potência, apesar dos altos custos de investimento? A resposta é impulsionada pelo lucro.
Especialistas do setor dizem que, embora o mercado de baixo consumo de energia da China 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 acentuadamente e conduzindo a uma concorrência feroz e a baixas margens de lucro, como no mercado de laser de fibra de 1000-3000W.
Por outro lado, a procura total do mercado por lasers com maior potência, como 3000-6000W, 10 kW, é pequena, mas oferecem oportunidades para uma concorrência diferenciada.
O alto valor agregado 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, demonstrar força técnica também é um fator significativo. Por exemplo, a IPG Photonics anuncia publicamente que pode vender lasers personalizados de nível industrial, totalmente em fibra, de 500.000 watts, mesmo que não tenhamos conhecimento de nenhuma indústria que atualmente utilize esses produtos. O fato de uma empresa ser capaz de desenvolver tais lasers de alta potência é uma prova de suas capacidades de P&D e da qualidade do produto, tornando-se um ponto promocional chave.
Do ponto de vista dos fabricantes de equipamentos, os especialistas do setor dizem que apenas alguns fabricantes de produtos de 10.000 watts podem atender aos seus requisitos de qualidade e estabilidade. Outros fornecedores de laser ainda precisam 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 do preço de compra aumentará naturalmente.
Se os lasers de fibra de maior potência são “melhores” não é uma questão com resposta definitiva. Os avanços na tecnologia, a localização dos componentes principais, a melhoria dos equipamentos de suporte, a demanda do mercado e o desenvolvimento de áreas de aplicação impulsionarão o crescimento dos lasers de fibra e a transformação e atualização da fabricação.
Os lasers de fibra de alta potência ainda têm um longo caminho a percorrer.
