採行高功率光纖雷射 普及新一代工業應用

光纖雷射因為採用通過一條比髮絲還細的玻璃光纖作為傳輸雷射的介質，同時構成光纖雷射之共振腔，利用二極體激發小功率雷射在其中邊傳遞、放大，使其整體結構擺脫傳統氣體或固態晶體等分類方式。Amada

當「工業4.0」已逐漸成為現今製造業發展主流，生產線上勢必增添更多感測元件、機器人等智慧自動化設備，以提升生產效率；進一步將之整合，增添廠內可用空間，提高生產彈性。這將是終端加工客戶與設備製造者兩端皆關切的議題。而光纖雷射除了同時具備精準、高效率、節能、精巧等特性，近年來也在設備製造廠商不斷精進開發下，應用更為多元。

因應當前工業4.0(Industrial 4.0)話題發燒，下一代製造業勢必更為要求「智慧化」，生產線須能符合人因工學、高度適應性，確保員工在使用時更容易上手，而不必耗費太多訓練時間；高效率利用資源，可同時整合工業製程、商業流程的智慧製造，才能更快且精準地調整製程，避免浪費過多成本或能源。

但業者在產業升級過程中，往往發現最大的問題，就是機器不夠穩定，導致生產效率、良率低，產能受限而被對手搶單。除了加工精度不足外，或許還要考慮並非客戶對產品要求太嚴苛，而是加工機械、自動化設備的工業4.0程度不高，仍屬上世代標準。如現今機械結構越來越複雜，廠房內只能容納10條產線，但為了提高產能而擴充更多生產線，卻在機器加工時產生大量廢熱再冷卻的過程，造成每月付出的電費有很大部份是用在冰水機，導致實際用在雷射或機械加工的能量很少。

產業成功升級的關鍵，應是選對正確的工具提高效率，將能源都用來生產，卻不因產生廢熱而浪費；還有足夠精巧，才能在有限空間內獲得最佳運用。目前國外採用雷射同時解決相關問題的技術已然成熟，但在台灣使用程度仍相對有限，產業供應鏈若干環節中斷，或也是主因之一。

補足雷射產業斷鏈  亟待引進上游關鍵元件

根據Strategies Unlimited最新統計，2014年全球雷射營收約93.3億美元，其中工業應用雷射占27%，約25.4億美元，僅次於通訊用雷射(32%，約30億美元)，高於光微影(10%，9.3億美元)、醫美(8%，約7.5億美元)、感測器與儀器(7%，約6.5億美元)、光儲存(6%，約5.7億美元)。

而依工研院IEK解釋，雷射產生器之組成包括：激發來源(pump source)、增益介質(gain medium)、共振腔(optical cavity/optical resonator)三大元素，視工作物質分為：氣體、液體、固體雷射。估計2015年雷射產值將超越100億美元，2017年達到121億美元；而全球雷射加工源市場在2014年便占有34億美元，預計2017年將達到45億美元，2010~2017年複合成長率9.6%，甚至已超過總體雷射產業(8.5%)。

成長主因在於新興國家對雷射加工設備需求旺盛，尤其是大陸成長最快；加上3D printing等材料加工雷射應用不斷擴充，以及半導體資本投資設備受惠於物聯網概念發酵，光學微影雷射需求持續成長。但IEK指出，台灣廠商雖然以雷射加工設備製造商居多，具備系統整合能力；但若想真正搶食到這塊大餅，仍待解決欠缺上游雷射源、光學元件等，占雷射系統設備成本高達30%~40%之關鍵零組件與材料問題，才有足夠競爭力。

光纖雷射技術成熟  兼具精準高效節能

其中，光纖雷射(Fiber laser)因為採用通過一條參雜稀土元素、比髮絲還細的玻璃光纖作為傳輸雷射的介質，同時構成光纖雷射之共振腔，利用二極體激發小功率雷射在其中邊傳遞、放大。這一先進又相對簡單的構造，使其雷射整體結構擺脫傳統氣體或固態晶體等分類方式，雖然此概念早在雷射問世不久便已提出，卻因為缺乏對應的電子技術，一向被認為只是實驗室科學。

直到21世紀初，受惠於電子技術突飛猛進，才讓核心元件的激發二極體的單位功率提升、單位成本降低，以及品質、穩定度、使用壽命等技術都出現革命性進展，包含：促成光纖雷射終於有了良好的激發源，加速提升輸出功率，最高可達到100kW；伴隨著光纖雷射的光束品質、穩定性、光電轉換效率(30%~40%)漸高，使用者得以2kW完成傳統3kW的工作；減少了所需能量及廢熱造成的浪費，不需一部像雷射加工機大小般的冰水主機，更為節省空間。

以及具備使用壽命長、無耗材等明顯優勢。因為少了CO2雷射結構的共振腔，不需每隔一段時間就要更換燈管、填充氣體以維持共振腔穩定，光纖雷射只須極小的二極體就能有20萬小時使用壽命，相當於每天24h小時不斷作業到22年才會衰減，因此已快速取代工業界許多舊有的雷射技術，甚至在許多領域發展出新製程，引領製造業邁向新一層次。

因應工業4.0時代智慧工廠的需求，引進光纖雷射加工的好處還包括：

1.精準：由於可在微小空間內塞進更多能量、像素，可依雷射通過光纖後輸出的能量大小，分為單模與多模兩種光學型態，前者屬電磁波最低能量型態、後者則是各種單模態之組合，依可加工精細程度有別(15μm/50μm)，創造不同產品附加價值，避免資源浪費。

2.高效率：以切割不同厚度之金屬薄板為例，光纖雷射與CO2雷射在直線切割速度區別較為明顯，精密、高效切割薄板屬於光纖雷射的優勢，尤其在切割0.8mm~2mm左右板材，將提升1~2倍效率；於切隔銅板這類高反射性金屬時，更因為不像CO2一樣會有吸收的問題，使得光纖雷射在加工新材質能力強，可為業者搶到更多新材質加工的訂單。

3.節能：當切割同樣薄板材時，節能效率更顯而易見。比起CO2每小時耗電約14度，光纖雷射因非常精準而節能，不會讓板材受熱變異影響。若廠內全面換裝的經費只要數萬元，卻能省下2,000~3000元電費，還能將省下的能源、成本用來投資更多生產設備獲利。

4.精巧：由於工廠都希望在有限空間內置入更多機器，生產更多產品，但既有雷射加工機可能只夠放1~2部。若選用1kW光纖雷射的電源供應器，就比CO2雷射體積更小，約與手機差不多、主機相當於一部PC，可將省下的機器空間置入更多產線，以有效利用。此外，內部配置採碟型設計時，雖有許多晶體及供反射、傳遞能量的鏡片，但每片雷射源模組就和主機硬碟一樣，可隨時抽換以增減容量或保養維修，如冰箱大小的體積擴充後，可達到20kW能量；下方還能加裝滾輪，在不同產線間移動。

高功率雷射發功  普及新一代工業應用

由於只要改變光學配置，無需輔助氣體、加工頭等特殊結構設計，就能用同一部高功率雷射加工機快速銲接、切割相同板材；搭配適當的結構，就能取代現有雷射切割鈑金工法，提升數倍產能。目前包括BMW、福斯汽車等汽車及零件製造廠商，均已率先在工業機器人上搭配光纖雷射，從遠端進行高速、高品質的3D雷射銲接、切割作業。

有別於傳統CO2、電弧銲工法，以光纖雷射銲接不同厚度金屬時，既少了銲點突起物，多模態足夠功率形成的銲寬？深比也相當漂亮；銲接厚重的兩塊金屬時，不像以往需要龐大機器，造成過大鉈銲道，擴散熱變異區域，導致周遭材質變色或熱變形。光纖雷射將能量集中於真正加工的區域，使得如此精細的銲道也有一樣高的強度，甚至可用來銲接頁岩油氣輸送管，帶領整體產業升級。

除了汽車、航太產業之外，光纖雷射也因其精準特性而進入3C產業，所帶來的新商機如智慧手機高速成長，帶動3D Printing積層製造及切割玻璃、藍寶石等新材料需求。因其選用單模態光纖雷射燒結金屬、陶瓷粉末層層堆疊而成，做出以往非模具不可的作品或機構內複雜的冷卻水路、少量需求的生醫材料，並縮小粉末顆粒或提高雷射精度，結合減法策略拋光，克服表面粗糙度問題。