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工業CO2雷射在台使用狀況

一、前 言
 二氧化碳雷射是目前連續輸出功率較高的一種雷射,加上它發展較早(1964年),商業成品比較成熟,所以早就被廣泛應用到材料加工、醫療使用、軍事武器、環境量測等各個領域。
國內在雷射的發展和應用方面,也是以CO2雷射的製作和應用為較早且較多,尤其工業界和醫療單位,早在1970年代末期,就有從國外直接進口CO2雷射機器,從事材料加工、醫療等應用。而CO2雷射機器在國內比較被廣泛引進應用,則大約在1980年代末期開始,最主要的應用,還是在從事材料加工這一方面。
十多年來CO2雷射加工機器在國內被接受和引進採用的程度雖然已經漸趨普及,但雷射畢竟是一種新的工具(1960年才有的),雷射加工技術亦不同於傳統的加工方法,所以工業界在引進使用CO2雷射的過程中,都曾經碰到或多或少的各種問題,對很多廠商造成不少困擾。
為了讓這些寶貴的經驗得以傳承,因此,特別針對十多年來CO2雷射在國內各個產業的應用狀況及其演變作一整理,並提出業界在使用CO2雷射過程中,比較常面臨的一些問題,以供國內的產業界在引進CO2雷射機器時有所參考。
本文將依CO2雷射功率大小作分類,詳述十多年來國內在各個產業上的應用狀況及演變,再列舉國內CO2雷射應用者常會面對的主要問題出來討論,最後對CO2雷射應用的未來提出一些展望。
二、工業CO2雷射在台使用狀況
 國內最早引進的CO2雷射,大概在1977、78年間的電子工業應用之低功率雷射,至於較高功率CO2雷射加工機的開始引進使用,則在1983年以後,但是數量還是有限。直到1980年代末期到這兩、三年間,才有比較多數的CO2雷射加工機陸續被民間工業界所接受並採用。
為了比較詳細而完整的介紹國內CO2雷射加工的應用狀況,這裡將國內一般較常使用的雷射輸出功率範圍(小於200瓦、介於200到1600瓦間和大於1600瓦以上)作為大概的劃分標準,逐一介紹它在各個領域的應用情形。當然,大部分的加工應用並不一定須限制其使用雷射功率之大小,但是基本上仍有一定的 依據,否則,加工速度和加工成本會划不來。
(一)、低功率(小於200瓦)CO2雷射應用狀況:國內早期進口和自造的CO2雷射機器,都為小於200瓦的低功率雷射。主要係電子工業(如電阻製造、IC標誌)、非金屬加工業(竹木雕、服飾、製鞋、飾品製造等)和部份的醫療和研究單位所使用。
1977、78年間,高雄楠梓加工出口區的飛利浦建元廠,率先自國外引進十數部50瓦的CO2雷射切割機,用在傳統電阻之製作過程上,這應該是國內引進CO2雷射加工應用最早的例子。不過隨著產業升級及傳統電阻之附加價值過低,這批生產設備均已轉往東南亞,而改採YAG雷射修整厚膜或晶片電阻。
將CO2雷射光束透過一個光罩,再聚焦於IC或半導體元件上作標誌,也是國內電子工業較早引進CO2雷射應用的實例,這種CO2雷射主要皆為TEA脈衝式。但隨著標誌加工速度的要求愈快,加工品質的要求愈高和固體雷射的發展,最近新引進的標誌加工用雷射,已逐漸被固體的YAG雷射所取代。
鏤空之銅模罩住欲雕刻之非金屬材料,然後用CO2雷射光束在銅模上作快速掃瞄,即可在該材料上雕刻出複雜的圖案。國內的雕刻對象為木材、壓克力、皮革、紙張等,另外像台灣本土特有的手工藝品,如竹片雕刻、軟木浮雕、貝殼浮雕…皆有人採用,並曾大量生產供外銷。不過最近幾年已轉型用密封式CO2雷射,直接以掃瞄鏡作少量多變化之禮品雕刻,以提高產品之附加價值。
成衣和製鞋業曾經在國內引領風騷十數年,也是引進國外或採用國內自產之低功率CO2雷射加工較早的案例,主要係以50瓦雷射來裁切製衣服用的馬克板和鞋子的樣板,僅用於開發或少量多樣的生產,故數量有限,最多大概不超過20部。也有少數150瓦左右的CO2雷射直接作皮衣、皮件、雪衣等之生產用。另外電腦刺繡業者有以雷射配合CCD取樣,直接將刺繡在一大張上的眾多圖案一一裁下。但是隨著兩種產業的外移和萎縮,CO2雷射在這方面的應用也沒什增加。
最近幾年,採用低功率CO2雷射來裁切傢具或飾品上的裝潢用薄樹皮,正持續增加中,主要係結合造型設計和後段生產,附加價值較高的緣故。
由於國外CO2雷射的發展很快,小功率的CO2雷射不只走向密封式,而且品質愈來愈好,因此,除了前述加工業外,國內進口的其它應用系統裡也發現不少此類之CO2雷射,用在穿孔、印刷業的刻板、快速成型、鏡片上打商標、陶瓷基板的加工等,可見其應用潛力不小。
200瓦以下的CO2雷射在作一些非金屬的薄材料切割均綽綽有餘,除了上述業者較常使用外,其實國內仍有很多產業界的特殊材料皆可考慮以雷射加工取代,像建築業的壓克力模型製作,結婚相簿封面的硬版圖樣,皆是小而複雜,就有以CO2雷射來作裁切。雲母薄板的裁切、防彈衣內纖維布的裁切、耐龍安全帶的裁切,還有其它一些特殊材料如:FRP、ABS、特弗龍、石棉、橡膠等的裁切,國外都有業者採用雷射為之,只是需要特別注意到切割時所產生氣體的排放。
 
(二)、中高功率(200瓦到1600瓦間)CO2雷射應用狀況:中高功率雷射,是國內目前CO2雷射加工設備的主流,主要皆為鈑金代工業所用。亦有少部份機器係工廠自行使用的生產設備。目前國內此類雷射機器約三百部左右,而有大約近三分之一皆是這兩、三年來引進的,可見此類功率的CO2雷射正快速成長中。
國內中高功率的CO2雷射機器最主要的應用,就是作鈑金切割,大部分以代工的型態經營。加工對象非常的廣,加工種類也非常的多,下面是應用較多或較特別的例子。
1.電腦、電氣機殼的鈑金切割:電腦機殼的鈑金切割,以及各種機器控制箱和機殼的鈑金切割,大概是目前國內雷射代工業界最主要的加工對象。尤其是一些產品的產量不是很多,也不少,形狀複雜,產品生命週期不長,開模划不來的鈑金切割最多,如:電動玩具機殼、自動販賣機機殼、配電盤…。也有一些是已經開過模,但產品經過更改設計後,須要在已成型的鈑金上作更改的加工。
2.各種機器零組件切割:機器裡面的各式各樣零組件,在某個厚度以上或形狀較為複雜的,其實都可以用雷射加工來取代傳統的加工方式,雖然可能加工成本會高一點(有些不一定),但一定可以節省很多人力,並提高產品的品質。
3.木刀模業:以CO2雷射在木板上切割出寬度約0.6mm的各種複雜且重複圖形之溝槽,然後再裝上鋒利的刀片,以製成軋型刀具,這是裁切所有的包裝紙盒、塑膠射出成型、保麗龍用具、軟性電路板…等製作過程很重要的一環。國內早在1983年即引進500瓦的CO2雷射切割設備,這也是國內工業界進口的第一部較高功率的雷射加工機,也開創國內木刀模業使用雷射的先機,目前國內主要的木刀模業者,皆改採雷射為切割工具。
4.汽車鈑金切割:經過模具壓軋成型後的汽車鈑金,為立體形狀,一般再加工較為困難,若以五軸的CO2雷射加工機作壓邊的切除和內部孔洞的開挖,則可以充分顯出雷射加工的特色。目前國內已有數家專門生產汽車修護用鈑金的工廠,進口五軸的CO2雷射加工機在作這一方面之加工應用。因為此類機器尚屬高價位階段,將來若能比較便宜的話,國內將會有不少廠商頗有意願引進此類加工機。
5.特殊材料切割:由於雷射可以作非接觸式切割,切縫窄又不影響週邊材質,所以在特別須要保持工件表面極度光滑的鏡面不袗或一般不袗板之切割,被國內廣告和建築業界普遍採用。如:招牌、雕塑品、電梯控制面板、廚具等。
其它則有圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板,一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、燐青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、矽橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航太工業使用的鈦合金…等等之切割加工。
隨著國內產業形態的演變,鈑金加工對象的複雜、多樣化,傳統的沖孔機(NCT)功能略顯不足,線切割又嫌太慢,CO2雷射的加工功能正好彌補它們所缺,這也是為什麼這幾年CO2雷射機器的引進正持續且快速增加中的原因。
 
(三)、高功率(大於1600瓦)CO2雷射應用狀況:大於1600瓦的高功率CO2雷射,主要被應用在金屬銲接和表面處理上,在工業先進國家已逐漸被國防、汽車、航太工業裡一些比較特殊的地方所採用。但是,早期在國內高功率雷射的價位比較高,加上國內這一方面的技術養成訓練有限,所以除了國防上如中山科學研究院和一些大學研究單位,有這一方面的應用外,民間工業界較少自行引進此類高功率CO2雷射。不過國內在最近二、三年卻引進不少,主要還是被應用在各項鈑金切割,可以讓加工速度更快、更有彈性。觀之未來的發展趨勢,高功率CO2雷射在銲接和表面處理上的加工應用,必定會被國內工業界逐步接受並採用。因此,在這裡介紹目前國內曾經實際進行過的加工案例。
1.雷射銲接:利用高能量密度的雷射光束,將欲銲接的工件材料熔融而接合在一起,可以使銲件之熱影響區與變形量均降至最低,而且可以不須銲劑或作異種材料之銲接,其接合強度亦特別牢固。在汽車裡面有很多零組件,欲以一體成型,有其困難度,但若能將其分開成型再銲接成一體,則能減少生產的困難度並降低成本。在銲接時為了減少對原成型工件的熱影響和達到更牢固之要求,故常以雷射來作快速之銲接工作,這是一個非常有潛力的加工市場。因此在汽車工業裡許多零組件接合時,被普遍採用。國內在這一方面的加工應用尚少,目前僅有兩家專門生產國外汽車零組件的OEM廠商,引進CO2雷射用在汽車內不袗濾油杯之銲接加工,不但生產速度變快,產品品質也變佳,產品的單價亦因而提高。
前年開始有一家導螺桿製造廠商採用雷射銲接導螺桿前端之固定座;今年國內一家汽車廠也以雷射來焊接不同厚度的兩塊鋼板,再拿去壓軋成型以降低生產成本;另外,國內汽車共同引擎開發案中也有部份地方將採用雷射銲接加工。
2.雷射硬面處理:利用高功率雷射光束,將欲硬面處理的工件底材表面熔融一薄層,藉此一熔融層與硬面合金材料交互熔融成一冶金鍵結(Metallurgy Bonding),達到硬面處理的功能。中山科學研究院曾經成功作過中碳鋼活塞桿的表面鍍硬鉻處理應用,效果極佳。另外台電公司也正在進行發電廠的低壓蒸汽渦輪機葉片之雷射硬面修補技術開發。
 
 
三、工業CO2雷射使用上常面對的問題
 
雷射加工屬於非傳統的,比較新進的加工技術,即使在工業先進國家,雷射加工被工業界較普遍接受並有所發展,也是近十來年的事。何況,國內工業界是直到這幾年才比較普遍接受雷射加工應用,並引進較多的雷射機器。所以在對雷射機器的了解、雷射加工經驗的累積、雷射加工應用範圍的拓展、…,都尚有待加強。也因此,大部分的雷射廠商或加工業者,在引進雷射加工應用的過程,多多少少都面對過一些與傳統加工方式不一樣的問題。隨加工應用的不同、加工機器的不同,所碰到的問題也不一樣,但大致上可以歸納出下列幾點。
 
(一)、保養維修的問題:CO2雷射應用廣泛、市場龐大,所以近幾年來發展快速,可以算是比較成熟的雷射商品,但是比起一般傳統的工具母機,CO2雷射機器的發展時間畢竟還算短暫,其主要結構都還在一直快速換新,加上雷射機器裡面的許多光學元件,常須要作精密之調整、保養維修或者更新,而國內相關之技術人員的確有限,所以,可以說大部分的雷射加工業者,多多少少都碰過一些令其頭痛的保養維修問題。
尤其是早期,國內的雷射市場有限,一般代理商可能好幾年才進口一兩部雷射機器,代理商專為此而培養維修人員,未必願意,況且工作人員的流動,加上雷射維修技術的養成並非容易。所以,只要雷射系統使用一段時日,就會碰到找不到人保養維修的問題,一旦遇有小問題就要遠從國外請原廠技術人員來修護,不但花費高而且拖延時日;有的甚至機器進口後,代理商就無法讓其正常工作。
最近幾年隨著國內雷射市場的快速成長,代理商的規模愈來愈大,甚至國外廠商直接在台灣設立分公司,並長期派駐技術人員,而且,CO2雷射的發展也比較趨於成熟,相對的故障、維修問題就減少很多。但是一般生產線上或代工業者所使用的雷射機器,仍然最怕故障停機,若是小毛病,可能一兩天就解決,碰到大問題時(如:電極板更換、主要機件故障、…),可能要等到原廠技術人員或國外寄來零組件,真是曠日費時。所以很多工廠都至少購買兩部雷射加工機,或者事先跟同行協商好,必要時作互相支援。
 
(二)、技術人員養成的問題:雷射的操作使用畢竟不同於傳統的工具母機,一般須要高工以上程度的技術人員,而國內並沒有這方面操作技術人員的養成教育,因此廠商須自己培訓,在國內工人流動性頻繁的情況下,操作技術人員的養成和經驗之積累實在不容易。而一位對雷射機器不夠熟稔、經驗有限的技術人員,將無法把雷射機器的特有功能發揮到極限,也會常發生下述現象:加工品質不佳、加工速度太慢、不懂保養機器、機器故障連連、減短機器壽命、機器耗材特兇、…。
 
(三)、特殊加工製程的開發問題:CO2雷射的切割應用,加工技術較單純,加工條件也較容易掌握,一般說來比較沒有製程上的問題。但是,比較特殊的雷射加工技術或加工材料如:銲接、硬面處理、立體加工、陶瓷加工等,加工業者必須先作製程上的適應和加工條件的掌握,以及自動進料、夾冶具等的配合,這並非一般業者能力所及,在這些問題未能充分掌握和解決之前,投資動則數百萬的雷射設備,對大部分是中小企業形態的台灣產業界,實在有所困難。而國內以前能夠充分協助業者作這一方面技術製程開發的機構一直缺乏,也就影響了雷射特殊加工應用市場的開展。
 
(四)、機器設備成本太高:早期國內使用的CO2雷射加工機,蓋皆由國外進口,一部較高功率的加工用CO2雷射機器,動則上千萬。近幾年來,情況比較好轉,主要是國內已有自己開發組裝的加工機,促使由日本進口的CO2雷射加工機價位降低不少。但是,組成整套完整的加工配備,也須花上五百萬到近一千萬元間,尤其五軸立體加工機或複合式加工機,價位更高,這當然會影響到產業界的投資購買意願,也會影響到加工成本,間接也就阻礙雷射加工對象、範圍的拓展。
 
(五)、耗材費用高的問題:CO2雷射加工機運轉時,須要消耗氦氣和大量的氧氣,氦氣因為是進口的,價位較高,也就提高了雷射加工的成本,所以在投資購買機器時,須考慮該機器的氣體消耗量。
另外操作技術的好壞、定期保養與否,也會影響到光學鏡片、高壓零組件等的消耗量,而這些樣樣須從國外進口,早期國內需求數量少時,售價都很高。目前國內CO2雷射加工機數量增多,也促使一些消耗器材、光學元件和高壓零組件的價錢降低一點。
 
(六)、工廠的環境不良:CO2雷射機器內有不少的光學和高壓零組件,算是比較脆弱的機器,特別須要在良好工作環境中操作使用,否則容易污損或故障。但是國內傳統工廠有很多不太重視工作環境的改善,空間小而雜亂、溼氣重、灰塵多、電源電壓變動厲害、冷卻水質差、……等。這些都會影響到雷射機器的使用效果和使用壽命,有些廠商就曾因此而嚐到一些苦果後,始作逐步改進。
 
 四、工業CO2雷射在台使用的展望
 
雷射加工一定是未來材料加工應用發展的趨勢之一,而CO2雷射加工一直佔雷射材料加工應用中最主要的地位,世界雷射市場也以CO2雷射機器為主力,約佔全部的七成左右,在近幾年並都維持在百分之十上下的成長率。
這五、六年來,正隨著國際和國內整體產業環境的改變,在產業水準必要提昇、人工貴且缺乏、自動化需求增加、產品附加價值和加工品質都有待提高的壓力下,雷射加工應用已逐漸被國內產業界接受並採用。由於起步較晚,短期內當可維持較高的雷射市場成長率,並且加工應用的市場潛力也應該還很大才對。依據光電科技工業協進會所作的調查報告顯示,1996年國內CO2雷射機器的市場成長約有百分之十三,可以得到佐證。
不過,國內產業界和工業CO2雷射的使用者,仍然有如上述許多問題需要去面對處理,尤其在相關技術人員的養成訓練和新的加工應用領域之開拓這兩方面,更須多下功夫。只有用心去了解問題所在並設法積極克服解決之,那麼一大片雷射加工應用的處女地,才會被大家所挖掘發現,並充分吸納之。這時,雷射加工應用的前景也才會是光明的。