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      濟南金維激光設備有限公司

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    技術支持/ TECHNICAL SUPPORT

    激光清洗是狹小市場還是無邊藍海?


    近幾年,激光清洗憑借更環保、更高效、不損傷基材等優勢受到業內關注及市場認可。有人認為,激光清洗目前是一片藍海,有望成為未來激光應用市場重要的增長點。也有人認為,激光清洗適用市場太小,技術壁壘不高,難有大的發展。那么,激光清洗市場到底有沒有技術壁壘?未來前景到底如何呢?

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    激光清洗

    激光清洗早期發展歷程

    早在上世紀70年代,美國加州大學的學者J.Asmus發現激光可以去除石像雕塑表面的深色污垢且不損傷石像本身,并開始了激光清洗雕塑等藝術品方面的科學研究。80年代中期,隨著電子信息產業的發展,清除儲存器模板上微小顆粒的需求激增,激光清洗受到廣泛關注,并被正式確認為一種行之有效的清洗方法,由此加大了研究力度。到了90年代,激光清洗正式進入工業化生產階段。

    激光清洗的去污范圍非常廣泛。除了早期的清洗藝術品、古代典籍和清除微電子元器件表面的納微米顆粒外,1992年,聯合國教科文組織成功利用激光清洗對英國睡眠大教堂實施了維修,法國科學家也已實現激光清洗城墻,美國科學家則用激光清除航空器上的油漆和鐵銹等。目前,國際上主要的激光清洗產品供應商包括P-laser、CleanLaser、Adapt Laser Systems、General Lasertronics、IPG等。

    我國激光清洗的研究起步相對較晚,2000年才有研究機構利用Nd:YAG激光器進行脫漆實驗。但早期的激光清洗研究受限于激光器功率較低,難以滿足工業市場需求,只停留在實驗室研究階段。隨著歐美等國的激光清洗在基建、工業、軍事等領域實現規?;瘧?,我國學界也開始意識到進行激光清洗研究的必要性和重要性,加大了對激光清洗核心技術及應用工藝的研究力度。


    激光清洗核心技術難點

    以現在的眼光來看,激光清洗設備的核心部件無非是激光器、控制系統、清洗頭。有人認為,這幾項核心部件都沒有技術壁壘,尤其是國產光纖激光器的快速發展,更是把最難的問題解決了,整體而言激光清洗產業沒有太大的技術含量。事實真的如此嗎?

    實際上,現在功率發展最快的激光器是多模連續光纖激光器,而適用于清洗應用的則是脈沖光纖激光器。銳科激光清洗負責人告訴OFweek激光網:“激光清洗的初衷是在不損傷基材的情況下還原金屬本色。雖然連續激光器功率較高,也可以去除金屬表面的油漆,但由于連續激光的能量過高,熱效應非常嚴重,會使金屬表面產生重熔,破壞金屬材料本身。因此只有極少數場景可以用連續激光器,絕大部分清洗需要用脈沖激光器?!?

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    30ns, 10kHz頻率的激光脈沖示意圖

    目前脈沖激光器的功率則遠遠低于連續激光器的水平。銳科激光清洗負責人表示:“我們說的脈沖激光器功率通常是平均功率,實際上脈沖激光還有個峰值功率。平均功率100W的脈沖激光峰值功率通常接近10000W,這對脈沖激光器的光纖、光柵及其他器件的承受能力帶來很大考驗。簡單來說,器件的功率承受能力制約了脈沖激光器功率發展?!?


    除功率外,各器件的參數性能也有很大的提升空間,如電機轉速、鏡片反射率等。銳科激光清洗負責人舉例說:“比如在同等功率下,我們用國外的器件可以做到每小時清洗10平方,但用國產器件只能做到每小時3-4平方。這些技術差距也導致了國產設備的清洗效率較低。這也是目前亟需攻克的技術難點,我相信在整個產業鏈共同努力下,這些技術問題都將被逐個攻破?!?

    面對諸多技術瓶頸和國外產品壟斷,國產激光清洗產業該如何發展呢?


    在功率層面,2018年國產清洗用光纖激光器還停留在百瓦級別,超過1000W的清洗用光纖激光器技術僅有IPG等海外企業掌握(英國的Powerlase公司可提供用于激光清洗的1600W固體激光器)。而在應用層面,銳科激光與集成商共同研發出500W清洗機用于某國際知名車企的車身除漆,獲得客戶高度認可并加單3臺,這一事件標志著國產激光清洗與國際激光品牌的同場較量的開始。目前500W清洗機已經廣泛應用在汽車制造和模具高速清洗領域。


    激光清洗汽車輪胎模具

    此外,厚油漆層激光清洗工藝也在2018年獲得突破。過去激光清洗厚油漆層效率偏低,銳科激光研發人員集中精力進行研發攻關,在國內首創復合清洗,通過將脈沖激光器和半導體激光器優勢合并,經過2年的不斷驗證優化,終于實現1+1>2的清洗效果,效率提升數倍。

    2019年,1000W光纖激光器技術瓶頸被打破,國產各品牌清洗用光纖激光器功率紛紛破千。實際上國產激光清洗功率突破1000W并不僅僅是一種功率競賽,而是市場需求愈發強烈的結果。銳科激光清洗負責人表示:“實際上銳科做激光器一直不追求最高功率,我們的功率都是為現有需求和潛在需求做準備。我們做200W激光器的時候是為了做好輪胎模具的清洗應用,同時在進行300W及500W的布局。做500W的時候也看到了更遠的市場,并開始做相關的技術儲備。因此我們的1000W脈沖清洗激光器一經推出,就立即開展工藝研發并與國內客戶合作打造高功率脈沖清洗設備,現在這套設備已經用于核電廠大型設備清洗?!?

    除功率提升外,工藝改進同樣為激光清洗發展提供了有力支持。2019年,銳科激光與杭州中車聯手,基于復合清洗的工藝技術,共同研發打造高鐵輪對復合清洗自動化解決方案,在地鐵及高鐵領域已經開始使用,得到終端客戶的一致認可。同時,復合清洗工藝也在輪船脫漆、大型基建、航天航空等領域有著良好表現。


    輪對復合清洗應用

    2020年,新冠疫情讓我國激光企業經歷了幾周到幾月的停擺。但在全國復工復產后,激光技術依然保持快速發展的態勢。這一年,國產清洗用光纖激光器功率突破2000W,為實現飛機蒙皮除漆、飛機發動機除漆等高端清洗應用提供了可能性。

    銳科激光清洗負責人表示:“我國是高鐵第一大國,高鐵數量非常龐大。而高鐵每5年需要大修一次,大修時車身的油漆需要全部去除進行再噴涂。高鐵輪對每2年小修,5-10年大修,每次也都需要進行脫漆處理。這對千瓦級激光清洗的需求是非常巨大的。除高鐵外,地鐵輪對除漆、飛機蒙皮除漆等需求也都為激光清洗帶來了前景光明的市場?!?


    打造國產激光清洗產業鏈

    隨著我國經濟的快速發展,模具、微電子、機械零部件、城市建筑、大型裝備等行業對清洗的需求也與日俱增。傳統的清洗工藝(如噴砂、打磨、化學藥劑等)污染大、效率低,已不足以滿足市場發展和環境保護的需求,發展更高效、更環保、無應力、無損傷的激光清洗技術迫在眉睫,突破激光清洗的核心技術瓶頸便成了重中之重。

    前文提到,我國激光清洗實現規?;瘧玫钠款i在于激光功率較低,而造成這一瓶頸的根源在于我國缺乏自主研發的高功率激光光源,被國外的技術封鎖卡住了脖子。為打破這一局面,國內眾多科研院所、激光企業紛紛投入大量資金、人力,進行核心器件、應用工藝的研發。

    2015年,武漢銳科激光在自主研制的100W脈沖光纖激光器的基礎上,尋訪了國內外大量的振鏡、鏡片、設備和配套廠商,經過不斷研發、試錯、改進,不斷優化清洗專用激光器的結構及性能,并帶動了清洗頭的自主設計,適配清洗應用的控制系統、散熱系統也逐步成型。經過幾輪迭代,在銳科激光和其他上下游廠家的共同努力下,終于在2016年研發出第一臺國產激光清洗樣機。

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    第一臺國產激光清洗樣機

    銳科激光清洗負責人向OFweek激光網介紹說:“雖然第一臺清洗機外觀很丑,性能也不十分優異,但它為我國建立成熟的激光清洗產業鏈指明了方向。不論是上游器件還是我們的激光器設計,包括下游的設備集成,都在這一過程中加深了對激光清洗應用的理解,為后來制造出性能更好的激光清洗設備打下了基礎。此外,當市場對激光清洗還處于觀望的時候,我們和集成商共同研發的100W清洗機就銷售了十幾臺,市場反饋非常好,這也給了我們更大的信心?!?

    國產激光清洗羽翼漸豐

    產業鏈逐步成型為激光清洗的發展提供了良好的土壤。2017年,陸軍裝甲兵學院的學者們研制出國內首臺“新型500W高重頻高能量激光清洗工程化設備”,為大功率激光清洗的軍工應用奠定了基礎。同年,銳科激光開發出200W及300W的清洗用光纖激光器,并將激光清洗應用推廣到模具清洗領域(尤其在輪胎模具清洗領域較國內外其他品牌更具優勢),推動了應用市場對激光清洗的認可。

    2018年是激光清洗的爆發年,激光清洗設備已成為各大展會上激光企業參展的標配:除了大族激光智能裝備集團、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、武鋼華工等設備廠外,銳科激光、創鑫激光、海富光子、珠西激光、飛博激光、中科四象、國科激光等激光器制造商也展示了各自最先進的激光清洗設備及清洗用激光器。

    激光清洗還將如何發展

    激光的特性非常適合金屬表面清洗,市場上也有許多應用點,但眼下市場并未完全打開。這與目前相關的高功率清洗用激光器制造技術不成熟、自動化程度低以及激光清洗設備造價高有關。

    以造船行業的表面厚油漆清除為例。通過前文可知,激光清洗在除油漆上的優勢已在市場上得到驗證(包括高鐵、地鐵輪對除漆、飛機蒙皮除漆等),但造船行業去除船身表面的厚油漆卻依然采用噴砂工藝。盡管人們通過改進工藝、提升功率而大幅提高激光除漆的效率,但對一艘船幾萬平方的除漆需求而言依然效率太低。究其原因,與激光器功率不足有很大關系。

    據了解,針對船舶清洗(包括鋼構橋梁的大型機械部件、石油管道等其他大型基建領域)的潛在需求,銳科激光正與設備商共同研發萬瓦級的激光清洗設備。隨著清洗功率進一步提高,制約清洗應用發展的效率問題有望從根本上被解決。

    此外,當前市場普及激光清洗設備多為手持式,需要工人手動操作,在進行小型模具清洗時較為靈活,但面對航空航天、船舶及大型基建領域的清洗時,則顯得效率低下。同時,當激光清洗作為焊前及焊后處理工序時,使用手持設備清洗再進行搬運轉場,白白耗費時間及人力。因此,激光清洗必然也朝著自動化、智能化發展,通過與其他制造設備相結合,實現一條產線解決一個產品的所有問題。

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    某鋼活塞焊接自動化清洗線

    激光清洗設備造價高則是制約激光清洗應用普及的關鍵。盡管打標及切割市場都經歷過價格戰,產品價格一降再降,但設備也由此得到普及:越來越多用戶接受了激光設備,并以激光取代了傳統工藝。而激光清洗市場則還處在藍海期,仍需要進一步降低價格以提高市場接受度。如某汽車活塞生產廠,原本從德國訂購激光清洗+激光焊接產線,整體報價超4000萬人民幣,而銳科激光及合作伙伴則通過光源和設備國產化,將產線報價降到1000多萬。銳科激光清洗負責人介紹說:“這條產線主要的成本在萬瓦激光焊接和自動化控制上,激光清洗本身成本不高。但單就清洗這一塊而言,進口的清洗設備報價約700萬人民幣,而國產設備只需100萬左右?!笨梢灶A見,當激光清洗設備價格進一步下行,必將推動激光清洗更大規模取代傳統清洗方式。


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