激光技術(shù)是20世紀重大發(fā)明之一,近年來,隨著激光技術(shù)的日新月異,全球激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。2008年,全球激光加工設備制造銷售額達到80億歐元,預計到2010年,全球激光加工市場平均增長率約為13%。美國、日本、德國、英國等國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了世界激光產(chǎn)業(yè)最高發(fā)展水平,它們在制造業(yè),如汽車、電子、航空、航天、生物醫(yī)學等領(lǐng)域已基本完成了傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代,步入“光加工”時代。
精密激光制造和服務行業(yè)作為一個新興行業(yè),發(fā)展前景廣闊,各國都比較重視。隨著激光加工技術(shù)的不斷完善和提高,國際上各類制造業(yè)逐漸接受了激光加工技術(shù),這樣可使他們的產(chǎn)品增加技術(shù)含量,加快產(chǎn)品更新?lián)Q代,發(fā)達國家已逐步形成了完善的激光制造和服務產(chǎn)業(yè)群體。
發(fā)達國家為了在全球競爭環(huán)境中占據(jù)世界信息技術(shù)的制高點,贏得主動權(quán),紛紛加緊實施激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃,如美國的“激光核聚變計劃”,德國的“光學促進計劃”,英國的“阿維爾計劃”,日本的“激光研究五年計劃”等。這些項目的實施,有效推動了全球激光產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展階段。德國已廣泛地將激光應用于汽車、鋼鐵、航天、電子、醫(yī)療等各個行業(yè),激光與光學產(chǎn)品在全世界銷售額每年以10%到20%的速度增長。
各國積極出臺相關(guān)政策,建立國家級激光工程中心,廣泛開展激光工程應用研究。德國建立了9個國家級激光中心,韓國政府2001年投入7.3億美元,在光州建立激光工程研究所,成為全球七大激光研究所之一。
國際知名公司也都將先進的激光技術(shù)作為研發(fā)的重點,并投入巨大資金,力求在技術(shù)上掌握全球競爭的主動權(quán)。德國Trumpf公司每年投入約7000萬美元的研究經(jīng)費,建立了全球最為先進的激光工藝試驗中心,開發(fā)的C02激光器最高功率已達20000W。德國IPG公司開發(fā)了目前全球最為先進的光纖激光器制造技術(shù),技術(shù)應用廣泛滲透到重金屬切割、銅焊、熔覆以及焊接等核心領(lǐng)域。
發(fā)達國家在汽車、飛機、微電子、鋼鐵等行業(yè)已開始大規(guī)模地應用激光加工技術(shù),激光
在這些領(lǐng)域的應用達到激光設備銷售額的60%以上。美國是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的國家,在激光醫(yī)療及激光檢測方面也占世界首位,德國在激光材料加工設備方面走在世界前列。
通用、福特、奔馳、大眾、豐田等汽車制造商均在汽車的車身裝配中大量使用焊接工藝,為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。例如,福特汽車公司用5米長的光纖將2kW的Nd:YAG激光傳輸?shù)窖b在IR761/125型機器人的焊頭上,用于車身裝配,大大提高了焊接效率和效果。波音、空中客車等飛機制造公司廣泛運用激光技術(shù)進行焊接、切割、打孔、表面硬化等。
激光在工業(yè)生產(chǎn)中的應用還包括:大規(guī)模集成電路的光刻技術(shù),印刷電路板打孔技術(shù),鐘表零件制造與首飾加工等領(lǐng)域。西門子公司在一條流水線上就采用400多臺激光設備。
半導體激光器和半導體泵浦固體激光器以自身所具有的高光電轉(zhuǎn)換效率、更小的體積,以及更優(yōu)化的激光模式等優(yōu)勢,應用在工業(yè)激光加工、激光醫(yī)療等多個領(lǐng)域,成為激光加工設備的主導方向。
激光技術(shù)對產(chǎn)品投入產(chǎn)出比和技術(shù)基礎(chǔ)的優(yōu)化作用更加明顯,融合在產(chǎn)品與服務中的技術(shù)含量越來越高。激光打標機和彩色打標機,其控制軟件實現(xiàn)了根據(jù)不同的顏色要求,控制不同波長的激光,不同工作時間的輸出,提高了激光標記設備的使用范圍。
激光技術(shù)與其它學科的融合以及應用領(lǐng)域范圍的不斷擴大,如利用激光對出土文物進行清洗與保護,利用水柱導光實現(xiàn)硅片的精密切割,利用激光檢測水果甜度和果肉軟硬程度,實現(xiàn)非金屬材料焊接,以及激光美容技術(shù)等。
激光材料加工是激光技術(shù)應用的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè),根據(jù)國際激光產(chǎn)業(yè)界統(tǒng)計,激光材料加工產(chǎn)值占激光加工總產(chǎn)值的比例最大,達到26%。2000年,全球范圍內(nèi)以激光為主的光電子產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值1800億美元,科學界預測,到2010年產(chǎn)值將達到4500億美元,以光電子信息技術(shù)為主導的信息產(chǎn)業(yè)將形成5萬億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,到2015年,光子產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè),光電子技術(shù)將繼微電子技術(shù)之后再次推動人類科學技術(shù)的革命和進步(資料來源:武漢市光電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要情況)。
激光的精密制造與服務主要應用于精密機械以及電子工業(yè)中,精密激光制造和服務典型的應用是SMT模板、精密金屬零件、FPC切割、HDI鉆孔及激光打標。
精密激光切割的一個典型應用就是切割印刷電路板PCB中表面安裝用模板。傳統(tǒng)的 SMT模板加工方法是化學刻蝕法,其致命的缺點就是加工的極限尺寸不得小于板厚,并且化學刻蝕法工序繁雜、加工周期長、腐蝕介質(zhì)污染環(huán)境。采用激光加工,不僅可以克服這些缺點,而且能夠?qū)Τ善纺0暹M行再加工,特別是加工精度及縫隙密度明顯優(yōu)于化學刻蝕法。
激光精密焊接方面,激光焊接熱影響區(qū)很窄,焊縫小,尤其可焊高熔點的材料和異種金屬,并且不需要添加材料。利用固體激光器進行縫焊和點焊,已有很高的水平。另外,用激光焊接印刷電路的引出線,不需要使用焊劑,并可減少熱沖擊,對電路管芯無影響,從而保證了集成電路管芯的質(zhì)量.
激光精密切割與傳統(tǒng)切割法相比,激光精密切割有很多優(yōu)點,激光能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、熱影響區(qū)小、切割噪聲小,并可以節(jié)省15%-30%的材料。由于激光對被切割材料幾乎不產(chǎn)生機械沖力和壓力,故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導體等既硬又脆的材料,加上激光光斑小、切縫窄,所以特別適宜于對細小部件作各種精密切割。
與機械、化學、電鑄和借助模具等傳統(tǒng)的制造手段相比,激光制造在材料加工中具有明顯的優(yōu)勢。激光具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度,其空間控制性和時間控制性很好,對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大,因此特別適用于自動化加工。
目前全球已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù),對于精度和結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品,以及設計變化多、數(shù)量少的研發(fā)樣品,可以用激光直接量產(chǎn)、省去模具使用(模具生產(chǎn)周期長、成本高)。激光應用技術(shù)已成熟的包括:激光切割、激光成形、激光鉆孔、激光焊接、激光劃線、激光表面處理等。
激光由于其具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度等特性,隨著技術(shù)的進步,日益廣泛地被應用于各類制造服務中,精密激光正不斷地滲透入傳統(tǒng)加工中。傳統(tǒng)的打孔方法在許多場合已不能滿足需求,如在堅硬的碳化鎢合金上加工直徑為幾十微米的小孔;在硬而脆的紅、藍寶石上加工幾百微米直徑的深孔等,用常規(guī)的機械加工方法無法實現(xiàn)。而激光束的瞬時功率密度高達108W/cm2,可在短時間內(nèi)將材料加熱到熔點或沸點,可以很容易地在上述材料上實現(xiàn)打孔。與電子束、電解、電火花和機械打孔相比,激光打孔質(zhì)量好、重復精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術(shù)經(jīng)濟效益顯著。激光精密打孔已經(jīng)達到很高的水平,可以加工直徑從20um到80um的微孔,并且其直徑與深度之比可達1:80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等,這些都是普通機械加工無法做到的。 #p#分頁標題#e#
精密激光制造是新興的加工方法,正在滲透入傳統(tǒng)制造中,逐步替代和突破傳統(tǒng)的制造方法,未來發(fā)展空間巨大。激光技術(shù)應用是當今全球發(fā)展最快、最活躍的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域,如汽車、電子、電器、航空、冶金、機械等制造領(lǐng)域,激光正在替代傳統(tǒng)的機械、化學等加工工藝,實現(xiàn)對金屬和非金屬材料的切割、焊接、表面處理、鉆孔以及微加工等。與此同時,隨著激光加工技術(shù)的不斷進步以及工業(yè)化生產(chǎn)的不斷升級,激光加工領(lǐng)域不斷拓寬,作為新的應用領(lǐng)域,高科技材料(如單晶硅、不易加工的金屬等)的應用增長迅速,其中的激光應用銷售市場也在快速增長,在工業(yè)生產(chǎn)中應用范圍越來越廣,激光在工業(yè)生產(chǎn)中的應用還包括:大規(guī)模集成電路的光刻技術(shù),印刷電路板打孔技術(shù),鐘表零件制造與首飾加工等領(lǐng)域。
激光制造比傳統(tǒng)制造的優(yōu)勢:
社會分工越來越細,專業(yè)化程度越來越高,是歷史發(fā)展的必然趨勢。企業(yè)競爭優(yōu)勢的大小主要是由生產(chǎn)要素中最薄弱的要素來決定,企業(yè)要將每個要素都做到最好是不現(xiàn)實的,世界上沒有一個全能企業(yè)?,F(xiàn)代企業(yè)專注于把內(nèi)部資源集中在最具核心優(yōu)勢項目上,而把非優(yōu)勢項目外包,這是提升競爭優(yōu)勢的有效路徑。業(yè)務外包已成為當今全球新一輪產(chǎn)業(yè)革命和轉(zhuǎn)移中不可逆轉(zhuǎn)的必然趨勢。精密激光制造和服務外包必要性主要體現(xiàn)在:
第一、減少浪費性競爭。生產(chǎn)精密激光加工產(chǎn)品不僅要求投入大量的資金用于購買激光加工設備,同時由于應用技術(shù)性強還要配備相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人員。通過將精密激光制造外包,可以節(jié)省大量資金和人力投入。
第二、獲得規(guī)模經(jīng)濟。通過協(xié)作外包建立大規(guī)模專業(yè)化分工體系,可以從規(guī)模經(jīng)濟中獲得經(jīng)濟效益,使各參與分工的單位分享規(guī)模經(jīng)濟帶來的利益。
第三、降低企業(yè)成本。相對于機械、電化等傳統(tǒng)的加工手段,精密激光加工設備價值高昂,外包有利于提高加工設備的利用率,降低加工成本。大企業(yè)可以通過生產(chǎn)一體化來降低生產(chǎn)成本,但是分工過細又會使一體化的成本上升。當大企業(yè)的市場交易成本小于一體化成本時,大企業(yè)往往通過分工協(xié)作方式,將部分業(yè)務外包,通過市場交易來滿足自己所需的服務或中間產(chǎn)品,從而降低企業(yè)的總成本。
從國外多年應用的實際情況來看,精密激光制造和服務專業(yè)化程度和外包比例較高,這是和現(xiàn)代制造業(yè)社會分工專業(yè)化、規(guī)?;?、標準化相吻合,也是市場經(jīng)濟充分競爭的必然結(jié)果。精密激光制造投資大,技術(shù)要求高,精密激光制造需求一般通過外包方式來實現(xiàn),精密激光制造和服務專業(yè)化是一種有效的經(jīng)營模式,由此催生了一批專業(yè)從事精密激光制造和服務的企業(yè),帶來了精密激光制造和服務行業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展。
精密激光制造和服務行業(yè)的發(fā)展趨勢
1、專業(yè)化精密激光制造和服務是未來激光行業(yè)的發(fā)展方向
由于人們對器件尺寸的要求越來越小,物理尺寸也越來越小,需要精度更高、加工速度更快、加工尺寸越小的技術(shù)出現(xiàn),激光是最有競爭力的技術(shù)之一。諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman早在50年代末就曾預言,制造技術(shù)將沿著從大到小的途徑發(fā)展,即用大機器制造出小機器,用這種小機器又能制造出更小的機器,并由此在微小尺度領(lǐng)域制造出一代代的批量加工工具。科學技術(shù)的革命證實了Feynman的預言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是最有說服力的例子,從集成到大規(guī)模集成到超大規(guī)模集成技術(shù)的迅猛發(fā)展中,已經(jīng)顯示出未來的制造技術(shù)必將沿著“越來越小”的方向進軍。20世紀把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起,形成了世紀標志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),并滲透到人類活動的各個領(lǐng)域。21世紀則是多門學科的集成技術(shù),即把微電子、微光學、微機械以及傳感器、執(zhí)行器的信號處理單元集成在一起的微納制造和微系統(tǒng)技術(shù)。微納制造技術(shù)與功能微系統(tǒng)將成為21世紀高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑,其發(fā)展將使人類在認識和改造自然的能力上達到一個新的高度,導致人類生活和社會物質(zhì)文明及科學技術(shù)的巨大變革。精密加工正是這種需要下發(fā)展起來的,精密激光制造和服務是未來制造的發(fā)展方向。
2、我國精密激光制造和服務的滲透率還很低,發(fā)展空間巨大。
精密激光加工技術(shù)屬于高精尖技術(shù),需要對光學、材料學、機械、電子自動化等多門學科進行綜合應用。激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術(shù)相結(jié)合,成為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)手段,對傳統(tǒng)工業(yè)尤其是裝備制造業(yè)的改造和技術(shù)提升發(fā)揮著越來越重要的作用。
目前,我國產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)芗す鈶玫恼J識還比較缺乏,精密激光加工的應用推廣還很不足,精密激光的行業(yè)滲透率還很低,巨大的應用市場有待開發(fā)。根據(jù)《中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策和措施》調(diào)查,國外已建立有約5000個激光加工站,而我國現(xiàn)只有120個左右的激光加工站或加工中心,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
加工手段升級、世界制造業(yè)重心向中國轉(zhuǎn)移以及環(huán)境保護是推動我國精密激光加工市場需求快速增長的三大驅(qū)動力。在精密激光制造與服務業(yè),SMT模板制造中激光加工法已替代原有的化學蝕刻法,精密金屬零件、激光成型、HDI鉆孔正由于激光技術(shù)的應用而在加工方面取得新的突破。
3、精密激光制造和服務行業(yè)是個新興的行業(yè),正處于成長初期。
精密激光制造和服務行業(yè)是新興的行業(yè),精密激光制造和服務行業(yè)有技術(shù)先于市場,技術(shù)引導市場的特征,隨著激光技術(shù)的發(fā)展,越來越多的激光制造技術(shù)應用于傳統(tǒng)制造中,激光制造技術(shù)正不斷地替代和突破傳統(tǒng)的制造技術(shù)。激光制造和服務正在廣度和深度方面不斷地滲透到傳統(tǒng)制造中,行業(yè)發(fā)展前景相當廣闊。目前激光制造和服務行業(yè)正在逐步形成并不斷地發(fā)展壯大過程中,經(jīng)過幾年的積累,目前正處于生命周期中的成長初期
與此同時,隨著激光加工技術(shù)的不斷進步以及工業(yè)化生產(chǎn)的不斷升級,激光加工領(lǐng)域不斷拓寬。精密激光正不斷地替代和突破傳統(tǒng)制造,每替代或突破一項傳統(tǒng)制造方法,都將帶來精密激光應用的發(fā)展,隨著越來越多的替代和突破,精密激光制造業(yè)將呈現(xiàn)跨越式增長,未來發(fā)展空間巨大。
精密激光制造業(yè)跨越式發(fā)展圖
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