Економічні аспекти та тенденції розвитку ринку лазерної техніки та технологій в Україні

Размещено на http://allbest.ru

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона

Національної академії наук України

Економічні аспекти та тенденції розвитку ринку лазерної техніки та технологій в Україні

Economic aspects and trends in the development of the market of laser equipment and technologies in Ukraine

Бернацький Артемій Володимирович

/ Bernatskyi Artemii Volodymyrovych

Кандидат технічних наук

Глобальною тенденцією світового прогресу в економіці найбільш розвинених країн, є широке застосування і вдосконалення нових наукоємних перспективних технологій обробки металевих матеріалів, зокрема, лазерних технологій [1-6].

Використання лазерних технологій має вирішальне значення для підвищення продуктивності праці [7], якості виробів [8], екологічної чистоти процесу [9], конкурентоспроможності продукції на світовому ринку [10], та економії людських і матеріальних ресурсів [11].

Зважаючи на це у сучасному промисловому виробництві технології лазерної обробки матеріалів закономірно користуються значним попитом [12]. На теперішній час жоден зі стратегічно важливих технологічних напрямків у світі не обходиться без використання лазерних технологій [13]. Вони активно застосовуються в електронному машинобудуванні [14], автомобілебудуванні [15], атомній [16], космічній [17], авіаційній [18] й суднобудівній галузях промисловості [19], медицині [20], а також при виготовленні виробів оборонного призначення [21].

Лазерні технології широко застосовуються в таких промислових процесах, як зварювання [22], різання [23], термообробка [24], легування [25], наплавлення [26] та інші.

Пов'язано це з тим, що висока концентрація енергії, яку забезпечує лазерний процес, дозволяє провести нагрівання й охолодження оброблюваного об'єму матеріалу з більшими швидкостями при дуже малому часі впливу.

Однак використання лазера у якості джерела енергії породжує і деякі проблеми технічного й економічного характеру [27]:

• висока вартість джерел живлення й систем керування;

• необхідність застосування високоточних високошвидкісних позиціонуючих пристроїв для лазерної голівки й деталі;

• використання складних, дорогих газових сумішей;

• високі вимоги до розміщення устаткування;

• потреба в дорогому обслуговуванні, виконуваному висококваліфікованими фахівцями.

Не зважаючи на це, як свідчить аналіз обсягу світового ринку реалізованих джерел лазерного випромінювання (без урахування супутніх компонентів, технологічного та іншого устаткування), неухильно зростає. Про це свідчать дані авторитетного профільного видання «Laserfocusworld» [28]. Зокрема, за останні десять років щорічний обсяг реалізованої в світі лазерної техніки складає більше ніж 18 мільярдів доларів США. Динаміку змін реалізації лазерної техніки в 2012-2021 роках наведено на рисунку 1.

Рис. 1. Світовий ринок лазерів в 2012-2021 [28]

При цьому частка джерел лазерного випромінювання, що застосовуються для обробки матеріалів становить близько 30% (рис. 2) [28].

У свою чергу, з цих 6,3 млрд. доларів США, розподіл за основними технологічними операціями обробки матеріалів, для виконання яких використовується лазерне випромінювання, є приблизно наступним: різання (35%), 3И-друку (20%), зварювання (20%), мікрообробка (10%) і гравірування (5%) [28]. При цьому, співвідношення між сегментами й темпи їхнього росту швидко міняються. Це пов'язане з темпами росту різних галузей, а також із прогресом у створенні самих лазерних технологічних комплексів (ЛТК).

Рис. 2. Розподіл застосувань лазерних установок для різнихгалузей промисловості в світі за даними «Laserfocusworld» [28.]

Так, з появою потужних волоконних лазерів з'явилися нові можливості використання ЛТК у машинобудуванні й відповідно розширився сам сегмент галузі, а розширення розробок нових джерел енергії, систем керування й т. інш., стимулює швидкий розвиток напрямку пов'язаного з лазерною обробкою. випромінювання лазер технологія зварювання

Аналіз міжнародного ринку лазерних технологій, дозволяє виявити їх основні особливості.

Такими є:

1) висока частка вартості витрат на обладнання в загальному обсязі ринку лазерних технологій;

2) збереження бізнесу лазерних технологій в країнах Західної Європи, США та інших країн з розвиненою економікою, що відображає необхідність використання висококваліфікованого персоналу;

3) висока вартість лазерного технологічного обладнання призводить до зниження попиту споживачів на техніку з поліпшеними технічними характеристиками;

4) збільшення частки послуг відбувається і через зростаючі складності лазерних технологічних систем, що вимагає великих зусиль і витрат на їх установку, розвиток і обслуговування, а також наявність обслуговуючого персоналу високої кваліфікації;

5) тенденція до залучення сторонніх організацій для виконання функцій, пов'язаних із застосуванням лазерних технологій.

Всі перераховані вище тенденції характерні і для ринку лазерних технологій обробки матеріалів в Україні. Крім того, слід зазначити, що найбільш характерними додатковими факторами, що стримують розвиток ринку лазерних технологій в Україні, є:

1) відсутність вітчизняних виробників сучасних високоточних лазерних установок для обробки матеріалів з потужними фотонними випромінювачами;

2) втрата технологій виготовлення витратних компонентів (оптичних; силових; електронних і ін. елементів), які були розроблені і впроваджені більш 30 років тому, а також нездатність залишившихся вітчизняних виробництв переорієнтуватися на потреби випуску потрібних компонентів для лазерних технологій;

3) пайовий розподіл використання лазерних технологій обробки матеріалів (різання, зварювання, термообробки, гравіювання і ін.) на підприємствах України відрізняється від даних роботи [28].

Аналіз потреб міжнародного ринку лазерних технологій показує [11], що стосовно складнопрофільних конструкцій у технологічному застосуванні переважає запит на використання технологій різання, у той час, як у наукових розробках - переважають роботи із зварювання та 3И-друку. Найхарактернішим прикладом застосування просторового лазерного зварювання тонкостінних складнопрофільних конструкцій є серійне виготовлення легкових автомобілів багатьох сучасних виробників (рис. 3 та рис. 4).

Рис. 3. Лазерне зварювання автомобілю ВMW F30 3 Series [29]

Рис. 4. Лінія для лазерного зварювання автомобілю Audi A3

На даний час, для ринку лазерних технологій обробки матеріалів України характерно домінантне, в порівнянні з іншими технологіями, використання лазерного різання (оціночно близько 65% від загального ринку обробних комплексів). З інших технологій лазерної обробки, найбільш затребуваними залишаються лазерна маркування (оціночно близько 15% від загального ринку обробних комплексів) і стрімко розвивається в останні роки технологія 3И-друку (оціночно близько 10% від загального ринку обробних комплексів). Ринок технологічних комплексів для процесів лазерного зварювання, термообробки, прошивки отворів і інших технологій, за даними автора, не перевищує 10% від загального ринку обробних лазерних комплексів.

Зміна ситуації, що склалася з «перекосом» запитів вітчизняного ринку обробних лазерних комплексів в сторону різання і приведення його до рівня світових стандартів, характерних для країн з розвиненою економікою, можливо шляхом вирішення низки завдань, однією з яких є розробка конкурентоспроможних на світовому ринку вітчизняних технологій та обладнання для лазерної обробки матеріалів, зокрема лазерного та гібридного лазерно-дугового зварювання різних матеріалів.

Джерела

1. Fotovvati, B., Wayne, S. F., Lewis, G., &Asadi, E. (2018). A reviewon melt-pool characteristics in laser welding of metals. Advances in Materials Science and Engineering, 2018, 4920718. https://doi.org/10.1155/2018/4920718

2. Krivtsun, I. V., Haskin, V. Yu., Korzhik, V. M., Klochkov, I. M., Kvasnytskyi, V. V., Babich, O. A. ., ... & Shanguo, H. (2019). Hybrid laser-microplasma welding of Ti-Al-V titanium alloy. The Paton Welding Journal, (10), 12-16. https://doi.org/10.15407/tpwj2019.10.01

3. Kik, T., &Gorka, J. (2019). Numerical simulations of laser and hybrid S700MC T-joint welding. Materials, 12(3), 516. https://doi.org/10.3390/ma12030516

4. Shelyagin, V., Khaskin, V., Bernatskyi, A., Siora, A., Sydorets, V. N., & Chinakhov, D. A. (2018). Multi-pass laser and hybrid laser-arc narrow-gap welding of steel butt joints. Materials Science Forum, 927, 64-71. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.927.64

5. Pankaj, P., Tiwari, A., Bhadra, R., &Biswas, P. (2019). Experimental investigation on CO2 laser butt welding of AISI 304 stainless steel and mild steel thin sheets. Optics & Laser Technology, 119, 105633. https://doi.org/10.1016Zj.optlastec.2019.105633

6. Berdnikova, O., Pozniakov, V., Bernatskyi, A., Alekseienko, T., & Sydorets, V.(2019). Effect of the structure on the mechanical properties and cracking resistance of welded joints of low-alloyed high-strength steels. Procedia Structural Integrity, 16, 89-96. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2019.07.026

7. Kusoglu, I. M., Gokce, B., & Barcikowski, S. (2020). Research trends in laser powder bed fusion of Al alloys within the last decade. Additive Manufacturing, 36, 101489. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101489

8. Korzhyk, V. M., Khaskin, V. Y., Illyashenko, E. V., Peleshenko, S. I., Grynyuk, A. A., Babych, O. A., ... & Voitenko, O. M. (2024). Hybrid laser-plasma welding: efficiency and new posibilities (Review). The Paton Welding Journal, 1, 13-21. https://doi.org/10.37434/tpwj2024.01.02

9. Sokolovskyi, M., &Bernatskyi, A. (2023). Developmental review of metal additive manufacturing processes. History of Science and Technology 13(2), 334356. https://doi.org/10.32703/2415-7422-2023-13-2-334-356

10. Malinauskas, M., Zukauskas, A., Hasegawa, S., Hayasaki, Y., Mizeikis, V., Buividas, R., &Juodkazis, S. (2016). Ultrafast laser processing of materials: from science to industry. Light: Science & Applications, 5(8), e16133-e16133. https://doi.org/10.1038/lsa.2016.133

11. Bernatskyi, A., & Khaskin, V. (2021). The history of the creation of lasers and analysis of the impact of their application in the material processing on the development of certain industries. History of Science and Technology 11(1), 125-149. https://doi.org/10.32703/2415-7422-2021-11-1-125-149

12. Korzhyk, V.M., Khaskin, V.Yu., Grynyuk, A.A. etal. (2021) Featuresof laser-plasmaweldingof corrosion-resistant steel AISI 304 with laser application. The Paton Welding Journal, (12), 9-17. https://doi.org/10.37434/as2021.12.02

13. Dobrzanski, L. A., & Dobrzanska-Danikiewicz, A. D. (2019). Applications of laser processing of materials in surface engineering in the Industry 4.0 stage of the industrial revolution. Materials Performance and Characterization, 8(6}, 1091-1129. https://doi.org/10.1520/MPC20190203

14. Shelyagin, V. D., Bernatskyi, A. V., Berdnikova, O. M., Sydorets, V. M., Siora, O. V., & Gryhorenko, S. G. (2020). Effect of technological features of laser welding of titanium-aluminium structures on the microstructure formation of welded joints. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 42(3), 363-379. https://doi.org/10.15407/mfint.42.03.0363

15. Das, A., Li, D., Williams, D., & Greenwood, D. (2018). Joining technologies for automotive battery systems manufacturing. World Electric Vehicle Journal, 9(2), 22. https://doi.org/10.3390/wevj9020022

16. Bernatskyi, A., Sydorets, V., Berdnikova, O. M., Krivtsun, I., & Kushnarova, O. (2021). Research of technology for repair of heat exchangers of nuclear power plants by laser welding. Solid State Phenomena, 313, 94-105. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.313.94

17. Bielawski, R., & Radomska, A. (2020). NASA Space Laser Communications System: Towards Safety of Aerospace Operations. Safety & Defense, 2, 51 -62. https://doi.org/10.37105/sd.85

18. Wang, S., & Zhang, Z. (2020). Research on principle, application and development trend of laser gyro. Journal of Physics: Conference Series, 1549(2), 022118. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1549/2/022118

19. Panchuk, M., Sladkowski, A., Panchuk, A., & Semianyk, I. (2021). New Technologies for Hull Assemblies in Shipbuilding. NASE MORE: znanstveni casopis za more i pomorstvo, 68(1), 48-57. https://doi.org/10.17818/NM/2021/1.6

20. Sharipova, G. I. (2022). Light and laser radiation in medicine. European journal of modern medicine and practice, 2(1), 36-41. http://www.inovatus.es/index.php/ejmmp/article/view/163

21. Bernatskyi, A., & Sokolovskyi, M. (2022). History of military laser technology development in military applications. History of Science and Technology, 12(1), 88-113. https://doi.org/10.32703/2415-7422-2022-12-1-88-113

22. Hung, C. H., Chen, W. T., Sehhat, M. H., & Leu, M. C. (2021). The effect of laser welding modes on mechanical properties and microstructure of 304L stainless steel parts fabricated by laser-foil-printing additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 112, 867-877. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06402-7

23. Riveiro, A., Quintero, F., Boutinguiza, M., Del Val, J., Comesana, R., Lusquinos, F., & Pou, J. (2019). Laser cutting: A review on the influence of assist gas. Materials, 12(1), 157. https://doi.org/10.3390/ma12010157

24. Fiocchi, J., Tuissi, A., & Biffi, C. A. (2021). Heat treatment of aluminium alloys produced by laser powder bed fusion: A review. Materials & Design, 204, 109651. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109651

25. Weber, J., Lohmuller, E., Gutscher, S., & Brand, A. A. (2020). Evaluating a procedure to align local laser doping and metallization. IEEE Journal of Photovoltaics, 10(2), 438-443. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2020.2966833

26. Siddiqui, A. A., & Dubey, A. K. (2021). Recent trends in laser cladding and surface alloying. Optics & Laser Technology, 134, 106619. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106619

27. Katayama, S. (Ed.). (2013). Handbook of laser welding technologies. Elsevier.

28. Holton, C., & Nogee, A. (2021, February 24). Amid crises and challenges, laser markets stay the course. Retrieved from https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/14196044/covid19-had-a-major-impact-on-global-laser-markets-yet-revenue-remained-generally- healthy

29. BMW F30 3 Series Production Process - Body Shop. https://www.youtube.com/watch?v=muLmD_7DANw

30. Laser Welding Joins the Lightweighting Trend. https://www.photonics.com/a61137/Laser_Welding_Joins_the_Lightweighting_Trend

Размещено на Allbest.ru