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今年小米SU7的跨越式登场给传统的汽车市场带来了不小的震撼，汽车作为人类科技进步和生活质量提升的重要体现，早已成为当今社会不可或缺的一部分。如今的汽车制造正向高质量、轻量化、多样化发展转型，而如何解决超高强度钢及复杂异型曲面热成型件加工成为行业难题之一。于是一种基于激光切割的新型技术——三维五轴激光切割技术受到行业追捧。图1为三维五轴激光技术加工汽车车身。![]()
图1 三维五轴激光技术加工汽车车身（来源：华工激光）从定义出发，三维五轴激光切割：其中三维指的就是区别于二维平面的立体空间；五轴就是指在空间坐标X、Y、Z直线轴的基础上增加了两个旋转轴，即A轴和C轴，见图2所示。X轴：主要负责切割机的左右移动。Y轴：主要负责切割机的前后移动。Z轴：负责切割机的上下移动，通常与切割头相连，控制切割头的升降。A轴：通常称为旋转轴，可以围绕X轴旋转，用于实现工件的旋转切割。C轴：同样为旋转轴，围绕Y轴旋转，用于实现工件的倾斜切割。如图2所示，五个轴的协同运动和激光切割的结合使机器能够在复杂的3D表面上进行精密切割，旋转和倾斜工件的能力使激光束能够到达传统二维切割机无法到达的区域。图2 激光切割机五轴运动示意图 （来源：周树斌——《激光切割机测控模块设计》）市场上的三维激光切割机有龙门式和机器人式两种基本结构。前者通常由床身或工作台提供 X、Y、Z 轴直线运动，切割头提供其余两轴旋转（或摆动）运动；后者采用光纤传输（或内含反射镜的关节臂）与机器人连接，实现三维激光切割。龙门式结构由于工作空间大、加工速度快、 加工精度高的优势，在汽车制造、航空航天等大型部件切割领域运用更多。
三维五轴激光切割机是一种高端机床设备，代表着全球数控机床的最高水平，在业内有着较高的人才、资金、研发障碍。受此限制，早期全球三维五轴激光切割机市场主要由德国、意大利的企业垄断。1979年，第一台五轴CO2激光切割机在意大利Prima（普瑞玛）工业公司建成，用于轿车内部塑料元件加工，但由于硬度问题无法进行金属冲压件加工。随着激光配套设备（导光系统、调焦系统等）的不断完善，1982年Prima工业公司创造性地将电容式传感器集成到三维激光切割设备中，使机床可以自动适应冲压件弹性变形造成的误差，从而使三维激光切割技术真正成为汽车车身加工的一种新的精密、灵活的加工手段。在德国，作为工业4.0时代领航者的Trumpf（通快）再次站在了技术创新的前沿,凭借公司走在世界前列的激光技术和自动化方案，让三维激光切割技术在20世纪80年代的欧洲开始了大规模应用。2008年以后，日本NTC、Mitsubishi（三菱）公司研制开发了低加速度、低速度、高精度的工作台移动式的三维五轴激光切割机。至此德国、意大利、日本成为全球最早自主掌握三维五轴激光加工技术的三个国家。而同时期，中国三维五轴激光切割技术领域还处于理论研究阶段，离市场化应用还有很长的距离。早期，国内采用手工等离子切割三维工件，切割效果不理想。而后，国内开发了机器人三维激光切割机，切割效果有一定的提升，但是加工复杂曲面时仍“心有余而力不足”，尤其是切割汽车冲压模具时。而三维五轴光纤激光切割机床因其加工效率高、性能稳定等特点开始受到行业关注。但由于国内的三维五轴激光切割机主要用于研发及小批量试制，一般一年的市场需求量在30-40台左右，加上这一技术被国外少数龙头行业把控，因此大部分三维五轴激光切割设备都依赖进口。但随着汽车市场的需求持续爆发，及汽车热成形技术的出现及应用，三维五轴激光切割机开始受到追捧。一条汽车热成形生产线一般配备4-5台三维五轴激光切割机，如图3所示，市场需求呈爆炸式发展至数百台。图3 热成形冲压钢板在车身上的应用（来源：搜狐汽车）华工激光在2017年9月推出了国内首套汽车热成形件三维五轴光纤激光切割机AUTOBOT 3015（见图4），因其切割硬度大、切割精度高、安全稳定性好深受市场认可。此项成果填补了国内高端装备的空白，为中国汽车制造业发展带来了重大突破。经过多年发展，华工激光的三维五轴激光切割装备已升级至2.5代，进一步改进了切割头、浮动轴结构，使得综合切割效率提升20%，旋转工作台单次变位节拍由3s缩短至2.5s，各项性能得到进一步提升。值得一提的是，华工激光自主研发的三维五轴激光切割装备实现了包括三维切割头、核心光源以及操作系统等在内的关键核心部件100%国产化。截止2023年7月底，华工激光实现了接近280台三维五轴激光切割设备的订单交付，全国70%的三维五轴激光加工机床都是由华工激光生产的，稳居国内市场份额第一，沃尔沃、吉利、长城等20多个汽车品牌的生产线中都有它的身影。图4 华工激光AUTOBOT 3015型号三维五轴激光切割机大族激光在三维切割技术领域研究攻坚多年，从2009年推出的第一台机器人三维激光切割机，到2017年，成功研发热成形三维五轴激光切割机床，并于2019年开始批量生产，大量应用于汽车热成型行业。除此之外，大族激光三维五轴激光切割设备参与了我国航天事业的发展中发挥了巨大的作用。在2018年央视纪录片《大国重器Ⅱ》中曾提到（见图5），在北京卫星制造厂内我国自主研发的第一台三维五轴激光加工机床总装调试成功，有了这一“超级装备”，航空航天零部件的制造周期也压缩到了原来的十分之一。大族激光也凭借“中厚板及难焊材料激光焊接与复杂曲面曲线激光切割技术及装备”项目，荣获2019年度“国家科学技术进步奖”二等奖。
图5 大族激光三维五轴激光加工机床切割航空航天零部件除了以上两家龙头企业以外，国内知名激光企业，如楚天激光、奔腾激光、宏山激光等多家公司均推出了针对不同市场需求的三维五轴激光切割代表性产品，见表1：![]()
表1 部分国内品牌的三维五轴激光切割产品汇总
如今，三维五轴激光切割产品已从国外垄断的局面迈向国产替代。中国已成为继德国、意大利、日本之后第四个完全自主掌握三维五轴激光加工技术的国家。
根据QYR调研公司的统计，2021年全球三维五轴联动激光加工设备市场销售额达到17.82亿元，预计2028年将达到31.04亿元。中国市场在过去几年变化较快，2021年市场规模为4.89亿元，预计2028年将达到10.07亿元，约占全球市场的三分之一。中国三维五轴激光切割市场未来可期。参考来源：
[1]陈根余,曹茂林,黄丰杰.三维激光切割的应用和研究[J].激光与光电子学进展,2007,(03):38-42.
[2]闫新华,付黎伟,甄守乐.三维激光切割机的发展现状及未来动向[J].锻压装备与制造技术,2021,56(04):7-10.DOI:10.16316/j.issn.1672-0121.2021.04.001.
[3]中国青年网：“中国光谷”如何破解“卡脖子”问题https://baijiahao.baidu.com/s?id=1773828416530752206&wfr=spider&for=pc
[4]高端数控机床打破国外垄断，三维五轴激光切割机床实现国产化https://www.163.com/dy/article/H64BTVQ00522B78M.html
[5]三维五轴激光切割机市场整体介绍
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752987448589311872&wfr=spider&for=pc
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