金属加工 体现射“激”之光
2021年12月27日
如今，激光技术应用行业广泛，尤其在金属行业, 在“柔性制造”方式被大力推广的今天，金属零部件产业正由大批量生产愈发向灵活的小批量、多样化的生产方式转型升级，激光技术能够迅速适应多种材料、多种形状和尺寸，特别适用于柔性加工，将在这一变革中发挥核心作用。同时，基于激光的高精密、高速度、高柔性化等特点，自动化与激光系统结合是大势所趋。在工业4.0的大趋势下，这些结合会越来越紧密，特别是近年来，自动化的切割、焊接产品持续呈现高速的发展态势，应用领域愈发广泛。
金属行业可谓是激光加工最重要的应用市场之一，中国钣金市场的竞争如今已逐渐转为高品质、高技术含量产品的竞争。钣金加工行业为了顺应国际市场的发展潮流，加工技术的转型势在必得。包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光熔覆、激光增材制造等激光加工技术和工艺将被越来越多地应用于金属制品和材料的加工中。
高功率激光加工强势依旧 激光切割占据鳌头
近年来，激光切割以其高效，高能量密度、非接触式加工和柔性等特点，以及在精度、速度和效率等方面的优势，已然成为钣金切割行业的理想解决方案。作为一种精密的加工方法，激光切割几乎可以加工所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。在金属板材切割领域，从微米级的超薄板件到数十毫米的厚板，都可以进行高效的切割。可以说，激光切割在钣金加工业掀起了一次重要的工艺革命。
据悉，激光切割机市场在2016 -2020年期间的复合年增长率将达到8.91 ％。高功率激光切割设备能以极高的精度加工门类广泛的材料，无论是钢材、铝材或是塑料等。其多功能性使制造商能够灵活切割材料并打造出具有复杂几何形状的产品和部件。
激光切割设备在金属加工中的份额始终占据鳌头，能以超精加工工艺打造出品质卓越的金属部件：无论是精准切割热成形片，抑或是打造车体和管材等具有复杂设计和维度的异型部件。如今，传统的切割机正被光束品质优异及自动化程度高的激光切割设备日益取代。
同时，得益于国内光纤激光器、控制系统、加工头以及激光切割机整机集成在技术和成本领域的进步，2016年，应用于薄板加工市场的激光切割机数量基本已经翻了一番。这些进展也加快了原本以冲床、剪板机为主体的传统生产工艺向激光加工的转换。
另据一份报告显示，2016 年，全球高功率激光加工市场的收入占据所有工业激光器营收总额的47% 以上。金属切削是高功率激光加工收入的增长驱动因素，特别是钣金切割，2016年共售出超过7,000套相关的激光系统和激光器，占总收入的76％以上。其中，大量应用于钣金切割的高功率光纤激光器的增长非常明显，其销量增幅与CO2 产品相比高出30％，继续占主导地位。
此外，高功率和高亮度的直接半导体激光器正获得越来越大的市场份额，因为更多的集成商正在开发和引入用于钎焊、焊接和切割应用的激光系统。例如，Mazak在2016年下半年研发出一款革新激光切割理念的4kW激光切割机OPTIPLEX 3015 DDL。这款设备使用新一代激光发生器，将直接半导体激光技术（DDL）应用于钣金切割上。DDL除了在切割薄板时的速度有较大突破外，在中厚板切割应用中，其品质与CO2 激光产品相比甚至已有所超越。而在加工厚板材料时，设备加工出的工件表面品质和边缘质量要优于光纤激光切割。
金属激光增材制造领域突破不止
伴随“中国制造2025”及“增材制造推进计划”的出台和实施，近几年来，增材制造（3D打印）在全球迅速升温，成为行业热议和焦点之一，该技术已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗、金属、模具等工业领域，更成为制造业向智能化快速转型的核心加工要素。增材制造技术通过获取物体的3D打印模型，从而使具有复杂设计的产品在增材制造的帮助下轻易通过概念化手段，以更高的精度被打造出来。
不同的技术可用于实现增材制造，如直写成型、熔融沉积成型、光固化立体造型、电子束熔炼、选择性热烧结（SHS）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结、分层实体制造和粉床法等。据预测，2016-2026年间，该市场的复合年增长率将达到18-22％。增材制造技术有望为零部件及成品设计提供更多用武之地。
这几年，增材制造无疑是热门词儿。而激光增材制造技术也在多个行业破茧而出。例如在2016年，我们欣喜地看到，国内外的激光增材制造领域已悄然迎来了多项突破性成果，尤其是在金属加工领域。
例如，由华中科技大学曾晓雁教授领导的研究团队完成的“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备”项目是目前全球效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备。项目攻克了多光束无缝拼接、4象限加工重合区制造质量控制等技术难题，实现了大型复杂金属零件的高效、高精成形。首次在SLM装备中引入双向铺粉技术，成形效率比同类装备高出20-40%。
激光选区熔化（Selective laser melting，简称SLM）是制造工艺的一次重大变革，相对于传统机加工切削铣，SLM作为一种材料堆积制造方式，可以制造各种复杂形状，充分发挥材料的效能比，是未来绿色制造的主要方式之一。此外，作为金属零件的直接增材制造技术之一，SLM技术成形精度高、性能好、无需工模具，属于典型的数字化过程，目前在复杂精密金属零件的成形中具有不可替代性。
其次，浙工大的姚建华教授带领其团队开发了一种 “超音速冷喷涂+激光技术”的新型3D打印技术，3D打印与超音速冷喷涂技术创新融合发挥出超音速激光沉积技术结合冷喷涂和激光熔覆各自的优势，在很大程度上攻破现有金属零部件增材制造的技术瓶颈，为实现高端装备关键零部件高效、优质、低成本及智能化增材制造提供了完整的解决方案。
从国外市场看，德国3D打印巨头EOS研发了“EOS共享模块”概念性产品，该模块体系中的3D打印设备配置了四个可实现金属零件规模化生产的激光器，可确保数台金属3D打印系统实现同步高效的运行，将直接金属激光烧结（DMLS）技术融入工业生产。而葡萄牙机床制造商Adira则推出了全球首款大型平铺激光熔融金属3D打印机——将粉末床熔融、直接金属沉积3D打印，以及金属板材激光切割技术融合在一台机器上，为众多新应用开辟了疆土。
另外，通快在2016年开发出一款基于激光金属熔化增材制造技术的3D打印系统TruPrint 1000。其亮点在于能够满足客户的各种定制需求，为其个性化生产提供最低成本、最高质量且几何形状更加复杂、精致的轻便型产品。无论是一次性的、原型的还是小批量的产品，TruPrint 1000 都能够在制造的同时为您的生活提供无限的创意。
除了设计灵活、生产周期短、成本低、满足个性化小批量生产外，未来金属3D打印的优势还将带来两大变革：一是对构件材料技术产生变革性影响：实现高性能新材料的数字制造;二是对装备制造技术产生变革性影响：实现超大超复杂结构的数字制造。
文章来源 荣格激光加工
