28-31 марта 2023 в Экспоцентре проходила 17-я выставка Фотоника 2023: мир лазера и оптики. Погуляв по этой выставке, я хотел бы поделиться теми знаниями, которые показались мне интересными для знакомства с обширной темой промышленных технологий, незримо связанной с космосом общей Истории.
1.Если говорить о фишках выставки Фотоника 2023, то самая практичная из них - это лазерная очистка металла. Компания IPG/ИРЭ Полюс представила впервые (на выставке Фотоника) аппарат ручной лазерной очистки металла IPG LightCLEAN. Откуда росли корни у этой новации? В далеком уже 2016 году появилась научная статья "Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов"
В процессе производства и эксплуатации на поверхности металла возникают загрязнения - неорганические – окисные пленки, ржавчина, окалина и органические – остатки смазочных и охлаждающих жидкостей (СОЖ), масляные пятна и т.д. Они все удаляются методами механической, ультразвуковой, химической и электрохимической обработки. И везде есть свои недостатки. У лазерного способа, - бесконтактного, безабразивного, высокопроизводительного и экологически чистого, - большим недостатком была его высокая цена. С появлением волоконных лазеров (в конце 20 века) появилась возможность удешевления процесса.
Теперь IPG представил агрегат ручной лазерной очистки мощностью 1 кВт ценой 3,6 млн руб., рядом с ним располагался более старый агрегат ручной сварки ценой 2,3 млн.руб (?). Хочу заметить, что никакого договора на рекламу с этой и другими компаниями у меня нет, поэтому цены указаны ориентировочно. Существенный минус, по мнения представителя компании "Юсто" - сама лазерная очистка по автомобилям пока очень дорога, чтобы конкурировать с пескоструйной очисткой. Но всё ещё впереди.
Почему эффективна именно лазерная очистка? В основном поверхность загрязняется неметаллическими веществами, чей показатель поглощения света на несколько порядков ниже по сравнению с металлами, а потому "грязь" прозрачна для луча. Если плотность мощности лазерного излучения достаточна для того, чтобы разогреть материал до температуры кипения, то на границе раздела загрязнение – основной материал начинается испарение материала. Под давлением разогретых до высоких температур паров металла слой неметаллического загрязнения разрушается и удаляется с поверхности. Чтобы минимизировать потери паров металла при этом разогревании, используют импульсный режим воздействия при максимальном сокращении длительности воздействия.
На рынке, между прочим, присутствуют и конкурентные китайские аппараты ручной очистки от JPT, Raycus. Есть компактные установки лазерной очистки у российского Лассарда.
Другой фишкой от IPG является лазер мощностью 30 кВт YLS-30000 (Ytterbium Fiber Laser Systems) - мощный промышленный иттербиевый волоконный лазер. Поставляемые в самом маленьком форм-факторе, доступном на рынке, эти лазеры могут быть легко интегрированы в станки для резки. Лазеры упакованы в герметичный шкаф с внутренним осушителем, что позволяет использовать лазер в самых суровых производственных условиях. На длине волны 1070+-5 нм (1 микрон) в серии YLS доступны мощности до 120 кВт, но такие величины присутствуют в таблице на англоязычном сайте IPG, на русскоязычном сайте IPG/ИРЭ Полюс линейка представления в таблице заканчивается для YLS на 40 кВт. Возможно, такая избирательность связана с тем, что для наших промышленных нужд и 30 кВт уже выше чаяний. Между прочим, первый коммерческий 100 кВт лазер был продан IPG в 2013г. материаловедческому научному центру в Японии. Его используют для резки металлических частей толщиной до 300 мм.
Популярность лазеров большой мощности возросла в России в период пандемии ковида. Внезапно обнаружился дефицит чистого кислорода необходимого для кислородной резки металла из-за забора кислорода на нужды здравоохранения. Лазер же может резать металл и на обычном атмосферном воздухе, и чем он мощнее, тем с большими задачами справляется. Так или иначе, но заказы на 20 кВт источники со стороны отечественной промышленности для раскроя металла с 2021г. перестали иметь единичный характер. За рубежом применяют и 50, 60 кВт.
Самым привлекательным является всё же медицинское использование лазера. С его помощью можно изничтожать камни любого размера в почках в пыль. IPG здесь на рынке вытесняет всех. Также разработки компании сулят прорыв во флебологии, поскольку путем лазерного лечения вздувшиеся вены не вырезаются, а схлопываются, исчезают.
2. Компания Лассард из Обнинска, производитель лазерных систем "сверху донизу", на рынке присутствует с 2015г. Серия малогабаритных лазерных станков SMART и средних OPTIMUM внесены в реестр продукции, произведённой на территории Российской Федерации. Как уверяют представители компании, в этих станках используется волоконный лазерный источник собственного изготовления мощностью до 3 кВт. Но в профобзорах находим, что в линейке станков Smart используется и волоконный лазер IPG с регулируемой мощностью 150/1 500 Вт и 300/3 000 Вт.
В планах разработчиков выйти на мощности 6 и 12 кВт, а в мечтах обогнать лидера IPG, пока режим санкций негативно влияет на деятельность этой российско-американской компании. Как и другие, Лассард сталкивается с проблемами вокруг использования западных компонентов в новых условиях. Так я понял, важный момент для российских промышленников - это хорошие лазерные головки для станков, - то, что принимает и фокусирует лазерный луч при обработке изделия.
Способность компании Лассард проводить собственные высокотехнологические работы иллюстрируют её квантроны. Квантрон - это усилитель или предусилитель лазера, собранный в модуль. Для усиления света, летящего по стержню, требуется так называемая накачка. "Дополнительный" свет идет на подмогу нашему потоку, идет как бы "сбоку" - от диодов или ламп. В силу фундаментальных законов энергия накачки передается основному пучку света. Вообще то разработка лазерного квантрона, включающего систему высокоэффективного охлаждения АЭ (активного элемента) и оптическую систему ввода излучения накачки в АЭ является ноу-хау любой компании.
Важный компонент квантрона - лазерные диодные решетки (ЛДР) производятся самим Лассардом. А лазерные диоды для ЛДР, похоже, им поставляет российский Инжект.
3. Волоконные лазеры конкурируют с полупроводниковыми в общей группе твердотельных лазеров. Полупроводниковые (диодные) лазеры могут иметь дело не только с металлами, а с деревом, акрилом, камнем и т.д. Им не нужен оптоволоконный кабель. Они работают на меньших длинах волн света (550-980 нм) видимого диапазона, чем волоконные «коллеги». Компания Инжект (Саратов, Росатом) представила на выставке как раз полупроводниковый лазер (станок) для пайки. Фото станка в интернете отсутствует, но из описаний подхода на сайте компании следует, что здесь — «В отличие от существующих зарубежных аналогов в отечественном комплексе обеспечивается возможность индивидуальной регулировки энергетического профиля лазерного пятна в зоне обработки путем настройки выходной мощности оптического лазерного излучения каждого лазерного модуля устройством программируемого компьютерного управления.»
Инжект производит и одномодовые волоконные лазеры, в т.ч.с диодной накачкой, но их перечень в каталоге мал. Зато в каталоге компании широко представлены диоды, диодные решетки, диодные матрицы. Их можно использовать для накачки лазеров (усиления), для датчиков, как самостоятельные источники излучения. Решетка лазерных диодов состоит к примеру из диодных линеек, и содержит основание из теплопроводящего материала, например меди. Освоила компания производство собственных блоков питания для лазеров, отказавшись от их импорта. Также занимается микрооптикой.
4.Знаменитый НИИ Полюс им.Стельмаха входит в холдинг Швабе корпорации Ростех. Компания занимается такими же диодами, как и Инжект. Когда-то выступала как учредитель ИРЭ Полюс/IPG, но кооперация с этой частной компанией расстроилась из-за решения государственных задач НИИ. В основном сообщения СМИ о НИИ Полюс касаются разработки квантово-каскадные лазеров, которые в частности, могут заметно повысить эффективность досмотровых комплексов, процедур спектроскопии и газоанализа, визуализации и удаленного зондирования и даже контроля качества продуктов питания.
Компания демонстрировала на Фотоника 2023 свои ИЛПИ. Это импульсный лазерный полупроводниковый излучатель. Излучатели изначально предназначены для наводки на цели и ночное видение. Излучатели на стенде: ИЛПИ-142, гетеролазер мощностью 2500 мВт для наведения ИЛПИ 138-1, — диод для оптической накачки неодим-содержащих активных элементов твердотельных лазеров, ИЛПИ 139 для систем аэронавигации и подсветки.
Если волоконный лазер имеет значительные преимущества при малых средней и пиковой мощностях излучения, то дисковый предпочтительнее использовать в диапазоне больших и очень больших мощностей. Дисковые лазеры дают наилучшее решение для значительного ряда промышленных применений в многокиловаттном диапазоне мощностей. Диск — простой и легко возбуждаемый элемент лазера, который позволяет без больших затрат генерировать очень хорошее по своим параметрам излучение. Если Архимед и сжег вражеский флот, то как раз за счет этого принципа.
5. Санкции США не обходят стороной и лазерные темы. Так, попадают под санкции одномодовые волоконные лазеры с качеством пучка M² < 1,3 мощностью более 500 Вт. Одномодовый лазер означает, что излучение света передается как бы только на одной волне. M² (или фактор качества пучка) — это как раз значение, показывающее, насколько близок лазер к одномодовому пучку TEM00, что, в свою очередь, позволяет определить возможность максимальной фокусировки луча - c высокой плотностью мощности.
Знакомство со стендом компании ЛЛС (Петербург) и началось со знакомства с волоконным непрерывным одномодовым лазером мощностью 5 кВт турецкого производства. Лазер выполнен компанией Ermarksan в металлической оболочке Милитар, то есть его можно поставить для испытаний и в лабораторию института, и на вертолёт и использовать в условиях чреватых тряской и прочим. В характеристиках лазера, впрочем, указано, что типовое качество пучка (M² ) =1.95, то есть "под санкции" этот лазер не попадает.
Заявляется, что Ermarksan имеет собственные лазерные источники, или резонаторы. Однако в её рекламе лазерных станков читаем следующее "Комплектация установок ERMAKSAN базируется на тщательно подобранных деталях и агрегатах, а наиболее ответственные узлы взяты от лучших мировых производителей. Например, приводы BECKHOFF (Германия), режущие (лазерные) головки PRECITEC (Германия), лазеры IPG (Россия)."
Тем не менее, есть и указания, что турецкая компания использует в той же серии YRL собственный лазерные резонаторы мощностью от 500 Вт до 14 кВт под маркой EON, то есть импортозамещает резонаторы российско-американской IPG, производимые, кстати, и в Германии. Для справки добавим, что турки говорят, что их станок, оснащенный резонатором IPG мощностью 6 кВт и немецкой лазерной головкой компании PRECITEC, режет низкоуглеродистую сталь толщиной до 25 мм, нержавеющую сталь до 15 мм, алюминий до 12 мм, медь и латунь до 8 мм.
Как говорят представители ЛЛС, они видят пути реализации своей миссии в поисках ЗАМЕНы лазерно-оптических компонентов и оборудования на продукцию из дружественных стран для наших клиентов. А в России компания налаживает варианты импортозамещения через дистрибьюции продукции компании Нордлэйз. Для иллюстрация успешности усилий на стенде NordLase представлен одномодовый иттербиевый волоконный лазер NL-YFLM-1080-1000. Последний предназначен для высокоточной обработки металлов, микросверления, аддитивных технологий, обработку глухих отверстий и т.п. Качество пучка M² у него ниже 1,2, мощность от 200 Вт до 2 кВт, то есть по параметрам он подходит под импортозамещение санкционных товаров.
Какой у этого аппарата лазерный источник, или резонатор компания не раскрывает. Пишется, что его аналоговое или цифровое управление совместимо с лазерами (резонаторами) IPG (у которой есть, конечно, хорошие одномодовые иттербиевые лазеры), Raycus, Maxphotonics и т.д. Что же это означает на практике? Новинку от Нордлэйз в конфигурации или нечто большее? Анализ научной литературы позволяет сделать вывод, что, возможно, речь идет о разработках волоконных усилителей и лазеров на основе активного конического волокна, которым занимаются и в Нордлэйз. Например, утверждается, что применение в волоконных усилителях конического волокна с двойной оболочкой, легированного иттербием, позволяет повысить порог возникновения нелинейных эффектов и максимальную пиковую мощность оптического излучения.
Дальше в лес научных понятий пока мы не пойдем.
Расширенный обзор по Фотоника 2023 (Еще Макрогрупп и Авеста см. в моем блоге на смарт. По Фотоника 2024 см.
Продолжение темы промышленных выставок - Образы высоких технологий на выставке Связь 2023. Взгляд
Включено в подборку "Связь. Технологии" см. на канале Друг Истории здесь и подборку Бизнес и экономика - здесь.
Буду благодарен за лайки) Хорошего чтения
Душин Олег, журнал №168, Друг Истории, следите за анонсами публикаций на Tелеграмм канал Друг Истории.