En los últimos años, la tecnología láser ha adquirido cada vez más importancia en la producción industrial. El avance de la industria manufacturera hacia procesos de transformación inteligentes y de vanguardia ha dificultado que la tecnología de procesamiento tradicional satisfaga las demandas del mercado de mayor eficiencia y precisión en la producción de productos.
La tecnología láser, con su alta eficiencia, bajo consumo, mínima deformación del material y adaptabilidad al objeto a procesar, ha aumentado su tasa de penetración en todos los aspectos de la producción industrial y se ha convertido en una herramienta indispensable en la fabricación de alta calidad.
La industria del láser ha tenido un rápido desarrollo en los últimos años, con mayor estabilidad y mayor potencia. El lanzamiento de láseres de fibra de 10.000 vatios y productos de equipos de procesamiento se ha convertido en algo común, y se publican noticias similares una o dos veces al mes.
No podemos evitar preguntarnos por qué todo el mundo está presionando por láseres de fibra de más de 10.000 vatios y si una potencia mayor siempre es mejor para los láseres de fibra. También cuestionamos el tamaño del mercado de láseres de fibra de alta potencia y las soluciones técnicas disponibles.
Para comprender mejor el mercado, realizamos entrevistas con empresas representativas de la cadena de la industria del láser de fibra, incluidas aquellas que ya han lanzado láseres de fibra de 10.000 vatios, las que planean hacerlo, y los fabricantes de láser de fibra y los fabricantes de equipos posteriores. Nuestro objetivo era ser integral y objetivo.
Durante nuestra investigación de un mes, visitamos varios fabricantes de láseres de fibra, fabricantes de equipos, expertos técnicos en la industria del láser de fibra y expertos del mercado. Nuestros hallazgos indican que el estado actual de los láseres de fibra de alta potencia todavía tiene un largo camino por recorrer.
Nota: En este artículo, los láseres de fibra de alta potencia se refieren a aquellos con una potencia superior a 10.000 vatios, a menos que se especifique lo contrario.
La situación actual del mercado del corte por láser
El mercado del corte por láser domina entre muchas aplicaciones industriales y los láseres de fibra se han vuelto cada vez más populares. Con la creciente demanda de procesamiento de láminas de espesor medio, las máquinas de corte por láser de alta potencia con claras ventajas se están convirtiendo en las nuevas favoritas del mercado.
En comparación con las máquinas de corte por láser de potencia pequeña y mediana, las máquinas de corte por láser de alta potencia son más eficientes para procesar tableros del mismo espesor. El importante aumento de potencia también condujo a una mejora revolucionaria en el proceso de corte, reduciendo los costos de procesamiento para los usuarios y resolviendo problemas importantes como la “producción inestable de placas gruesas de acero al carbono”.
En 2017, los principales fabricantes de equipos láser, como Hans'laser, lanzaron equipos de corte por láser de 12 KW y realizaron envíos a pequeña escala. En 2018, las máquinas de corte por láser de 12 KW se destacaron en las principales exposiciones y, después de que Hans'laser lanzara el equipo de corte por láser de 15 KW, otros fabricantes siguieron su ejemplo y lanzaron sus propios productos de 15 KW. En 2019, Hans'laser volvió a actualizar el límite de potencia, lanzando una máquina de corte por láser de fibra de 20 KW para el mercado final.
Los láseres de fibra también han superado gradualmente el límite de potencia, y actualmente se encuentran disponibles en el mercado los láseres de fibra de 30 KW de mayor potencia. La potencia ha aumentado de 12 KW a 20 KW, 25 KW y más.
¿Qué tan difícil es el equipo de más de 10.000 vatios ?
Los componentes funcionales se han convertido en la principal limitación. A pesar del rápido desarrollo de aplicaciones láser de alta potencia, la estabilidad de los componentes funcionales está obstaculizando el desarrollo de equipos de corte por láser de potencia ultraalta. El crecimiento de la potencia del cabezal de corte se ha quedado atrás del crecimiento del láser y de la potencia de las máquinas de corte por láser.
Los componentes principales del cabezal de corte por láser son boquillas, lentes de enfoque y sistemas de seguimiento de enfoque.
Boquillas
Las boquillas son los consumibles más utilizados en las máquinas herramienta de corte por láser de fibra y existen tres tipos principales: paralelas, convergentes y cónicas. La calidad del corte está íntimamente relacionada con la forma y tamaño del pico.
Lente de enfoque
La lente de enfoque es el componente principal del cabezal de corte. El haz de luz emitido por el láser es enfocado por la lente para formar un punto de alta densidad de energía.
Con la creciente demanda del mercado de láseres de alta potencia, la profundidad focal y el punto focal de las lentes tradicionales son limitados. El aumento de la profundidad focal dará como resultado una expansión del tamaño del punto focal, que en muchos casos no cumple con los requisitos del procesamiento láser. Como resultado, existe una demanda creciente de lentes de enfoque con gran profundidad focal y alta resolución.
Tanto la distancia focal como la posición de enfoque de la lente de enfoque afectan la calidad del corte por láser. Las lentes de distancia focal corta son adecuadas para cortar materiales finos a alta velocidad, mientras que las lentes de distancia focal larga son adecuadas para cortar piezas gruesas.
Sistema de seguimiento de enfoque
El sistema de seguimiento de enfoque de una máquina de corte por láser generalmente se compone de un cabezal de corte de enfoque y un sistema de sensor de seguimiento. Durante el procesamiento de la máquina de corte por láser, el sistema de seguimiento evita colisiones y cortes desiguales, procesa gráficos rápidamente y reduce la tasa de productos defectuosos.
Actualmente, existen dos tipos principales de sistemas de seguimiento: un sistema de seguimiento con sensor capacitivo, también conocido como sistema de seguimiento sin contacto, y un sistema de seguimiento con sensor inductivo, también conocido como sistema de seguimiento por contacto.
Precitec domina actualmente el mercado nacional de cabezales de corte de alta potencia. La mayoría de las máquinas de corte por láser con potencia superior a 10.000 vatios están equipadas con cabezales de corte Precitec. En vista de esto, algunos fabricantes chinos de equipos y láseres han hecho esfuerzos para ponerse al día y han aumentado su inversión en I+D en cabezales de corte para la estabilidad de sus equipos láser de alta potencia. Han logrado ciertos resultados: algunas empresas han lanzado cabezales de corte que pueden soportar una potencia ultraalta de 15 kW y han logrado una producción en masa. La tecnología para cabezales de corte de 30 kW también ha logrado un gran avance.
¿Qué tan difícil es el cabezal de corte de alta potencia?
Según un investigador senior con amplia experiencia en la investigación de láseres de fibra, para obtener una mayor potencia de láser de fibra, como un láser de fibra de 10.000 vatios, combinar varios láseres de fibra de potencia media es un método eficaz. El componente clave en este proceso es el combinador de fibras.
Por lo tanto, el combinador de haces, la tecnología de gestión térmica en el combinador de haces y la calidad del haz de salida después del combinador de haces son cruciales para los láseres de fibra de alta calidad y potencia en la industria actual. La mayoría de las nuevas aplicaciones que involucran láseres de fibra de alta potencia requieren un haz de alta calidad. Estas tres perspectivas se pueden comparar para determinar la estabilidad, confiabilidad y avance tecnológico de un láser de fibra de alta potencia determinado.
En el campo militar, los láseres de fibra utilizan principalmente la combinación de haces espectrales para lograr una alta potencia, pero en el campo industrial, no ha habido innovación tecnológica en China y la combinación de haces todavía se logra principalmente mediante el uso de múltiples módulos de fibra única. Por ejemplo, se utilizan varios módulos de 2000 W y 3000 W para combinar haces y obtener un láser de fibra de 10 000 W.
La alta potencia del haz combinado converge en el proyector, y si el proyector no es capaz de soportar una potencia tan alta, será propenso a quemarse. El combinador de alta potencia se importa principalmente del extranjero y sólo unos pocos fabricantes nacionales pueden producirlo. Además de la brecha técnica entre los láseres de fibra nacionales y extranjeros, los productos láser de fibra de alta potencia que soportan el cabezal de corte por láser también tienen requisitos más altos.
Por ejemplo, cuando se utiliza un láser de fibra como fuente de luz para una máquina de corte por láser, el láser debe coincidir con el cabezal de corte. Sin embargo, hay pocos fabricantes nacionales de cabezales de corte por láser de alta potencia, que requieren una alta estabilidad general del equipo y representan el nivel más alto de la industria. Según los expertos de la industria, los cabezales de corte nacionales se utilizan principalmente para cabezales de corte de baja potencia, mientras que los cabezales de corte extranjeros se utilizan principalmente para láseres de alta potencia superiores a 6000 W.
Para el corte por láser de alta potencia, la estabilidad del cabezal de corte es un gran problema. Las dificultades en el cabezal de corte se reflejan principalmente en las técnicas de recubrimiento de lentes, el diseño de la trayectoria óptica, el sistema de enfriamiento y el posicionamiento del motor.
Técnicas de recubrimiento de lentes
El mayor desafío para los cabezales de corte de alta potencia es la lente. A medida que aumenta la potencia del láser, también aumenta la densidad de potencia de la lente. Para garantizar la estabilidad de los cabezales de corte de alta potencia, la lente es la mayor dificultad.
Algunas empresas han superado este desafío mediante avances en la tecnología de recubrimiento de lentes. Actualmente, los cabezales de afeitado del mercado pueden soportar de forma estable una potencia de 15 kW.
Diseño de ruta óptica.
Después de las lentes, otro gran desafío es el diseño óptico. El modo de zoom del cabezal de corte de alta potencia consiste principalmente en la colimación del zoom de la lente, que es diferente del cabezal de corte tradicional de baja potencia que utiliza el zoom de la lente de enfoque. Para cabezales láser de alta potencia, si el colimador se acerca a la fibra, la densidad de potencia aumentará.
Sistema de refrigeración
Además del proceso de recubrimiento de la lente y el diseño de la trayectoria óptica, los sistemas de enfriamiento y el control de precisión del motor del cabezal de corte también son problemas desafiantes en los cabezales de corte de alta potencia. Durante el corte de la hoja, el aumento de la potencia del láser aporta más energía y aumenta la probabilidad de aumento de temperatura en la lente y la boquilla de corte. La refrigeración debe garantizarse mediante refrigeración por agua u otros métodos de refrigeración.
Posicionamiento del motor
En términos de control del motor, se implementan métodos de retroalimentación en el motor para corregir su posición mediante retroalimentación, lo que garantiza un posicionamiento más preciso y una velocidad de respuesta más rápida en el enfoque.
¿Cuanto mayor sea la potencia, mejor?
Los láseres de fibra de alta potencia se utilizan principalmente para corte y soldadura por láser en el campo industrial. La creencia de que cuanto mayor sea la potencia, mejor prevalece entre muchas empresas de láser que entrevistamos, que han introducido el concepto de "potencia umbral". Creen que para las aplicaciones de corte por láser, existe un límite en la potencia del proceso de corte, más allá del cual la calidad y la velocidad del corte ya no mejorarán. En algunos casos, cambiar a otros láseres, como los láseres excimer o de CO2, puede resultar más rentable.
Estas empresas generalmente creen que para el mercado industrial, 6 kW pueden satisfacer más del 95% de la demanda de corte, y los láseres de fibra de más de 6 kW son un mercado pequeño en el área de corte. La introducción de equipos de corte por láser de fibra de 12 kW, 20 kW y 30 kW solo demuestra la demanda de equipos láser de alta potencia en el mercado, pero este es un requisito específico para un rango pequeño y no hay necesidad de aplicaciones a gran escala. En consecuencia, los láseres de fibra de alta potencia se consideran una dirección de desarrollo hasta que los láseres de fibra no hayan superado los 10.000 vatios.
Sin embargo, en el procesamiento de materiales especiales que son difíciles de cortar, los láseres de baja potencia son lentos y el efecto de corte es deficiente. Los materiales altamente reflectantes también requieren mayor potencia para satisfacer las necesidades de procesamiento, donde se utilizan láseres de 10.000 vatios. Los fabricantes de equipos láser informaron que los láseres de alta potencia se utilizan principalmente en el mercado de procesamiento, y la demanda de los clientes empresariales en el mercado de procesamiento es principalmente de láseres con potencia entre 6000 y 8000 W. La capacidad de todo el mercado está estrechamente relacionada con la Macroeconomía nacional.
Corte de acero inoxidable: eficiencia de hasta el 400 %
Corte de acero al carbono : corte a alta velocidad de láminas medianas y delgadas con aire en lugar de oxígeno
Según la figura anterior, el poder de corte límite de la superficie brillante del acero al carbono está determinado por el espesor de la placa. Si la potencia real es menor que la potencia límite, la velocidad de corte aumentará a medida que aumente la potencia. Sin embargo, si la potencia real es mayor que la potencia límite, la velocidad de corte permanecerá sin cambios y no mejorará incluso con el aumento de potencia. El efecto de corte tampoco cambiará.
La mayoría de los fabricantes de láseres todavía ven entre 3.000 y 8.000 W el principal área de competencia en el mercado, a pesar de tener la tecnología y los prototipos para láseres de 10.000 vatios. Esto se debe al poder limitado del procesamiento industrial.
Sin embargo, existe otra perspectiva donde cuanto mayor sea la potencia, ya sea instantánea o promedio, mejor será la capacidad de procesamiento del láser como herramienta y fuente de calor en el procesamiento láser. Esto se ha demostrado mediante la aplicación de productos láser de fibra de 15 kW/20 kW en procesamiento de potencia ultra alta y efectos de tratamiento térmico, que funcionan mejor en comparación con los láseres de fibra de 6000 W.
Los productos actuales con una capacidad de 10.000 W pueden cortar eficazmente láminas de espesor medio a grueso, como el acero al carbono, eliminando la necesidad de procesos de rectificado adicionales.
A medida que las capacidades y la producción de láseres de alta potencia sigan mejorando, es probable que los usuarios cambien a estos láseres cuando los beneficios superen los costos.
El límite de fusión de los metales se fija en un millón de vatios por centímetro cuadrado, mientras que el límite para modificar las superficies metálicas es de 10.000 vatios por centímetro cuadrado.
Teniendo en cuenta estos dos datos básicos, es probable que en el futuro se generalice la potencia del láser con una capacidad de 100.000 vatios o incluso un millón de vatios.
Los láseres de alta potencia tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluidas aplicaciones de transporte ferroviario, aeroespaciales, de construcción naval y militares.
En el campo de la soldadura marina, los láseres de alta potencia son adecuados, aunque todavía no se han implementado en China.
¿Qué pasa con el costo?
La ventaja de la tecnología láser es su alta calidad y eficiencia, debido a la calidad de la transmisión de fibra óptica y la eficiencia de la conversión fotoeléctrica. Cuanto mayor sea la potencia, más profundo será el procesamiento y más rápida será la velocidad de soldadura.
Sin embargo, estas ventajas y desventajas son interdependientes. Para las empresas de alta tecnología, la inversión en tecnología y en investigación y desarrollo de productos es la primera categoría de costos, lo que requiere la inversión en talento, fondos y tiempo correspondientes. Algunos componentes clave no se pueden comprar internamente y se deben comprar materias primas como fibra óptica, fuente de bombeo, combinador, red y sistemas de control de bucle, lo que a veces representa hasta el 70% del costo total.
Entonces, ¿por qué las empresas adoptan láseres de alta potencia a pesar de los elevados costes de inversión? La respuesta está impulsada por las ganancias.
Los expertos de la industria dicen que aunque el mercado de baja potencia de China está dominado por las marcas nacionales de láseres de fibra, estos productos han obtenido una victoria continua sobre los productos importados. Sin embargo, demasiadas empresas están entrando en el mercado, lo que provoca una fuerte caída de los precios y genera una competencia feroz y bajos márgenes de beneficio, como en el mercado del láser de fibra de 1000-3000W.
Por otro lado, la demanda total del mercado de láseres de mayor potencia, como 3000-6000W, 10 kW, es pequeña, pero ofrece oportunidades para una competencia diferenciada.
El alto valor añadido de los productos láser de alta potencia y los márgenes de beneficio relativamente grandes los convierten en una nueva oportunidad de mercado para la entrada de las empresas.
Además, demostrar fortaleza técnica también es un factor importante. Por ejemplo, IPG Photonics anuncia públicamente que puede vender láseres personalizados de 500.000 vatios, totalmente de fibra y de grado industrial, aunque no conocemos ninguna industria que utilice actualmente estos productos. El hecho de que una empresa sea capaz de desarrollar láseres de tan alta potencia es un testimonio de sus capacidades de I+D y de la calidad de sus productos, lo que lo convierte en un punto promocional clave.
Desde la perspectiva de los fabricantes de equipos, los expertos de la industria dicen que sólo unos pocos fabricantes de productos de 10.000 vatios pueden cumplir con sus requisitos de calidad y estabilidad. Otros proveedores de láser aún deben pasar por un proceso de promoción y retroalimentación.
A medida que más empresas de láser de fibra ingresen al mercado, los fabricantes de equipos tendrán más opciones y la relación del precio de compra aumentará naturalmente.
Si los láseres de fibra de mayor potencia son “mejores” no es una pregunta con una respuesta definitiva. Los avances en tecnología, la localización de componentes clave, la mejora de los equipos de soporte, la demanda del mercado y el desarrollo de áreas de aplicación impulsarán el crecimiento de los láseres de fibra y la transformación y mejora de la fabricación.
A los láseres de fibra de alta potencia aún les queda un largo camino por recorrer.
