激光技术在工业制造领域的七大应用

激光是当今制造业中应用最广泛的工具之一，尤其是随着增材制造和工业4.0的发展，工程师们可以创造出更复杂的特征和需要严格公差的产品设计。

 

激光加工可以制造出传统加工设备难以制造或无法制造的精细特征，而且激光切割非常干净，不会对周围材料产生毛刺或热效应，因此无需进行二次精加工。随着医疗设备制造商设计出更小、更先进的产品，激光工艺正成为他们的首选制造技术。

 

 

激光打标
激光越来越多地用于在部件和产品上印制唯一标识（UID）编号，以便在召回时轻松追踪。对于医疗设备来说，激光打标非常耐用，可以经受多次消毒。打标新型包含可读信息和条形码信息，批次和批量代码甚至是设计历史，都可以用激光打标在具有平面或曲面零件几何形状的产品上。

 

 

2022年至2027年间，受各行业对精确和永久打标解决方案日益增长的需求，激光打标设备市场规模预计将增长12.3亿美元。在预测期内，市场的增长势头将以7.29%的复合年增长率发展。尤其是在中国和印度等新兴经济体，由不断扩大的医疗保健和食品饮料行业所推动，这些行业需要在运输过程中对产品进行精确编码。

 

光纤激光标记、CO2激光标记、UV激光标记、YAG激光标记和二极管激光标记因其多功能性和效率而日益突出。激光雕刻、激光蚀刻和激光编码是汽车、航空航天、医疗设备、电子、包装、半导体、金属、塑料、玻璃和木材等各种应用的基本工艺。

 

其他终端用户行业对激光打标设备的需求增加是一个新兴的市场趋势。对激光打标设备的需求增加源于不同的行业。激光打标最初用于平面艺术，现已扩展到贺卡、广告、派对配件和文具等领域。

 

激光打标在包装中的出现，尤其是在食品和化妆品中，提高了产品的外观并使品牌能够脱颖而出。随着产能增长和成本降低，这项技术将在精加工厂蓬勃发展，提振对激光打标机的需求，促进市场增长。

 

同时，激光打标设备制造商在关键部件上严重依赖第三方供应商，面临质量问题、交货延迟和紧张关系等挑战，影响运营和成本效率。

 

 

表面纹理
激光可以在部件或产品的表面形成纹理或图案微结构，从而改善物理性能，如磨损率、抓握力、光学性能和负载能力。激光微纹理加工可以在医疗植入物上形成粗糙度，使新组织或骨骼更容易固定并生长到新的植入物中，而且可以以极高的深度分辨率制作出特征小至10微米的图案。

 

激光表面清洁技术不再是一种新奇技术，而且已经有许多应用在各个行业中使用。与此技术非常相似的是表面激光粗糙化或激光纹理化。在激光表面处理中，纹理化一词更为常见，因为光束形成了某种有序的图案。随着激光表面处理技术的发展，激光表面纹理技术也得到了快速发展。当用激光技术对表面进行纹理化时，通过激光束的脉冲作用从工件上去除材料来实现粗糙度，从而产生凹坑，从而产生粗糙度。

 

 

为了这些目的，使用脉冲光纤激光器，这是最适合这项任务的。使用激光技术进行表面粗糙化还需要设置某些参数，以实现不同程度的粗糙度。影响粗糙度的参数包括激光功率、PRR（脉冲重复率）、扫描仪速度和透镜的焦距。

 

利用激光技术，还可以对工件表面进行高质量的纹理处理，并通过设置参数来实现不同程度的粗糙度。可定制的参数集为实现不同的粗糙度水平和过程的完全控制提供了许多可能性。激光纹理的主要优势包括更精确的加工，无需掩盖其他表面，工艺的可重复性，无需研磨介质，一步生产不同纹理的可能性，以及低的操作和维护成本。

 

 

激光烧蚀
这种“减法”加工方法主要是利用激光束高精度地蒸发材料。脉冲长度、波长和强度可根据加工材料进行调整。由于这种非接触式加工方法不会改变材料结构，也不会因磨损或加热而损坏材料表面，因此对于加工纳米材料或超导材料等敏感材料尤其有用。

 

对小型化电子元件的需求不断上升，以及微电子制造中越来越多地采用激光技术，正在推动激光烧蚀系统市场的增长。同时，激光技术的进步，如开发超快激光器和提高光束质量，正在促进更精确和高效的材料去除过程。

 

 

激光烧蚀系统在医疗设备制造、半导体制造和纳米技术研究中的应用将越来越多，正在为市场参与者创造有利可图的机会。但同时，关于使用安全的严格法规以及与使用激光烧蚀系统相关的环境问题，对市场增长构成了挑战。

 

激光烧蚀系统市场可以根据技术、应用和最终用户进行细分。按技术划分，市场可分为纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀。根据应用，市场可分为微加工、表面清洁、脱漆等。激光烧蚀系统的最终用户行业包括医疗保健、电子、汽车、航空航天、研究实验室等。

 

 

激光钻孔
激光在金属、聚合物和陶瓷等多种材料上钻微米级孔的精度，令人难以置信。当今的许多制成品都需要微小的特征，而这些特征只能通过激光钻孔来实现。通过直接写入、穿孔和掩膜投影等方法，可以在各种材料上制作出非常小而复杂的特征，而且不会产生热效应或损坏材料。

 

激光钻孔是一个极其复杂的热物理过程，涉及激光与物质相互作用。因此，影响激光钻孔质量的因素有很多。为了获得高质量的孔，应根据激光钻孔的一般原理和特点，分析和理解影响孔质量的参数。这些参数包括激光脉冲能量、脉冲宽度、散焦、脉冲重复率以及被处理材料的特性。

 

 

重复性、准确性、灵活性和成本效益是激光钻孔作为一种加工技术迅速普及的主要原因。对于扁平金属零件，冲压的优点是可以在一次操作中形成许多孔，甚至不同的尺寸，有利于在大批量生产中形成多个孔的零件。

 

而激光消除了制造冲压模具的需要和成本，为原型或短期零件提供了低成本的解决方案。激光钻孔没有磨损或断裂的部件，可以毫无困难地加工出高强度材料。与直径限制为约1.0–1.5倍板材厚度的机械冲孔不同，激光在任何孔形成操作中都具有巨大的灵活性。

 

 

激光切割
与激光钻孔类似，激光切割依赖于聚焦的激光束将材料、直线切割或切割图案烧蚀到材料或部件中非常精确的深度。超快激光器通常用于各种类型的金属和聚合物加工，因为它们能切割出干净的边缘，不会产生热影响区。激光可以切割多种材料，包括铝、钛和钢，具有微米级的公差。

 

 

机器人激光切割是一种通过工业机器人实现的多方向、多角度柔性切割方法。机器人激光切割系统由机械臂、材料定位器、机器人控制器和臂端工具（EOAT）组成。机器人处理工具或工件以完成任务。

 

根据LPI（LP Information）最新研究，机器人激光切割机有望在未来市场上呈现稳定增长。然而，产品差异化、降低成本和供应链优化对于机器人激光切割机的广泛采用仍然至关重要。市场参与者需要投资研发，建立战略合作伙伴关系，并根据不断变化的消费者偏好调整其产品，以利用机器人激光切割机市场带来的巨大机遇。

 

 

激光焊接
焊接工艺对具有复杂几何形状或难以连接在一起的不同材料尤其有效。根据不同的产品，与胶合或钎焊相比，激光焊接可能是最好的连接工艺，尤其是用于连接金属和塑料。它还可以形成坚固、高精度的焊接，提供可重复的质量。

 

激光焊接是一种熔化焊接工艺，其中金属或热塑性塑料使用聚焦激光束连接。这是一种先进的焊接工艺，在从航空航天、医疗设备到精细珠宝生产的各个行业都有应用。在焊接过程中，高度集中的光束聚焦在待接合材料之间的空腔上。强大的激光束使材料的边缘液化，并将其融合形成一个接缝。由于使用了这种高度集中的热源，可以高速进行薄材料的激光焊接。在较厚的材料中，激光焊接可以产生深而紧密的焊缝。

 

 

激光焊接的优势包括：速度接头的执行速度远高于传统技术（与TIG相比约为4倍），并且对于某些应用可以达到5000mm/min；非接触式：热量通过光束传输；精度高：即使在厚度差异很大的情况下也可以将能量集中在小的区域内熔化接头两侧。传输能量总量低于TIG和MIG焊接，减少了热变形和在焊接线上包括冷却元件的需要。

 

另外，激光焊接适用于多种材料，通过调整激光器的参数，可以焊接不同的材料，包括铜和塑料，形成不同尺寸和深度的焊接接头。激光焊接接头的美观效果与专业TIG焊机相当，但所有操作员都可以轻松完成，而且执行速度更快。如果应用允许，在不牺牲产品美观的情况下，可以省略焊接后的研磨阶段。

 

 

剥线
激光剥线是一种快速工艺，可提供出色的精度和工艺控制并消除与线材的接触，从而可加工大于32 AWG的精密线规。绝缘层的剥除误差可控制在0.005英寸以内。用户还可以对剥线进行编程，烧蚀导线上任何一点的绝缘层，从而实现高精度的中段剥除。

 

现在，使用激光去除电线、导管和其他医疗设备的绝缘层或涂层已成为常态。使用激光剥离工艺制造医疗器械有很多好处，最重要的是高度可重复的质量。使用二氧化碳激光器从导线导体上剥离聚合物绝缘层，激光能量很容易被绝缘层吸收，但被下面的金属导体高度反射。由于导体会反射激光，因此在剥离过程中没有损坏风险。通过激光剥离，可以剥离的导线的尺寸没有限制，无论导线尺寸如何，都不会有损坏导线的风险。

 

 

激光剥线可以剥离圆形、非圆形、扁平带状或任何其他形状的电线或电缆。剥离几何形状包括端部剥离、窗口剥离、纵切或全区域消融。这个过程也非常方便用户。与机械剥离方法相比，无需更换刀片或更换耗材。激光剥线的过程是非接触式的，因此不需要经常更换和维护。

 

医疗器械制造市场需要高质量的工艺以及越来越复杂和精细的布线系统。激光剥线可以应对行业的许多挑战，随着更小、更精致的医疗设备的不断发展，激光剥线将继续成为首选方法。

 

 

新型激光的未来应用
目前来看，激光是工业4.0的关键设备，各国的研究人员仍在继续学习如何在制造过程中更有效地使用激光。例如，美国国家标准与技术研究所（NIST）制造了一种激光器，脉冲速度是传统超快激光器的100倍（持续时间为万亿分之一秒）。德国科学家正在试验将微小激光器直接集成到硅片中，以提高处理速度。

 

另一个研究领域是使用人工智能（AI）创建智能激光器，“了解”正在加工的材料以及加工完成的时间。随着越来越多的公司接受工业4.0，包括人工智能、传感器技术和增材制造，激光将在现代制造业中发挥更大的作用。