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技术密集赛道,铸就高行业壁垒
对于常规激光加工流程而言,主要包括以下步骤:1)使用激光专用设计软件或者第三方通用工业设计软件(CAD、Solidworks等)进行零件和装配体的图纸绘制;2)将加工图纸文件转换为机床代码;3)激光加工机床按照代码指令执行任务,涉及图形编辑、工艺设置、运动控制、(切割头、激光器等)外设控制、焦距控制,最终完成加工。简言之,即图纸设计、工艺设计、机床代码输出、NC加工。
控制系统厂商所涉及的核心软件技术包括:1)CAD技术,设计、建模、排版(明确要加工成什么样子);2)CAM技术,根据设计和工艺要求,计算生成合适的刀路轨迹、气路、焦点等控制参数和加工模型,并生成数控系统(NC)执行的指令(明确如何加工);3)NC技术,根据机床代码执行具体的加工工序,控制切割头、激光器运动;4)硬件设计技术,主要包括嵌入式软件及硬件电路设计。
图表1激光切割流程和对应关键技术
柏楚电子招股书,整理
PAC以微型计算机为基础,大部分计算由通用计算机承担,一般通过扩展卡进行外部设备控制,所有的控制功能作为软件任务在实时环境中运行。相比于PLC而言,PAC可类比智能手机之于功能机。核心组件包括:GUI图形用户界面,用户进行编辑调控操作的主页面。PLC内核,进行各种开关信号的逻辑处理,实现电气设备的启停、切换、保护功能。CNC内核,根据机床代码执行加工程序,实现运动轨迹的实时译码、各种***补偿、速度规划等。
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核心竞争力的体现:1)自动排样算法,排样算法最直观的体现就是板材的利用率情况,目前国内部分企业基于套料系统和加工系统的密切配合,以及先进的算法,实现了接近乃至超越国际对手的板材利用率;2)完善的激光工艺库,对不同物理参数的激光进行数字化并形成集合,方便在不同需求和场景中选择合适的切割工艺;3)速度规划算法,适用于部分曲线运动的恒定加速度插补,提高加工效率;4)高精度伺服控制算法,一般是通过缩短控制周期的方式,提高运动精度;5)运动控制板卡的研发设计能力,主要包括ARM嵌入式开发、电源设计和PCB布线。
图表2PAC基本结构
维宏股份招股书,整理
板卡控制系统,采用局部并行总线PCI通道(与独立显卡、声卡的连接方式类似),实现对机械传动装置、激光器、辅助气体等外部设备的控制。其核心特点是配置灵活,性价比高,可与客户手头合适的电脑直接配合使用。
总线控制系统,集成了板卡控制系统、随动控制系统、显示器、工业计算机、操作面板等部件的完整模块。通常采用EtherCAT总线技术(一种基于以太网端口的通道)。其主要优势在于高集成度、高稳定性。
图表3板卡控制系统 图表4总线控制系统
柏楚电子招股书, 柏楚电子招股书,
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开放式激光控制系统,通过网口与电脑相连,EtherCAT总线与激光器相连,也可依靠EtherCAT总线串联更多扩展卡和相关总线驱动。此外,大量的IO接口直连实现对多个伺服/步进电机、振镜模块的驱动。其良好的扩展性能够适应伺服激光、振镜激光,以及多维度、多场景的工作需要。
图表5正运动开放式总线控制器详解
正运动技术,整理
位居全产业链中游,扮演激光加工体系之脑
激光控制系统处于全产业链中游,发挥类似大脑和驱动的作用。随着制造业升级和技术进步,激光技术逐渐被普及到消费电子、工业制造、医疗生物等下游,用于标刻、切割、焊接、熔覆及微加工,而光学元件、数控系统始终是占据产业价值链核心的两大领域。其中控制系统负责进行决策、执行和驱动,与激光硬件高度配合,组成成套激光加工设备。
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从直接上游来看,激光控制系统供应商需要对接芯片厂商、PCB厂商以及相关线材供应商,从目前国产情况来看,部分芯片可以实现国产化,但部分仍倚重德州仪器等国际供应商。PCB及线材基本国产化,且供应充足,价格透明。
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图表6激光控制系统所处产业链位置
金橙子招股书,
全产业链高度景气,复合增速表现亮眼。工业激光器在电子、机械、冶金、轻工等领域被广泛使用,使用场景、工艺类型不断多样化。从全产业规模增速来看,前瞻产研对我国工业激光产业市场规模给出未来五年CAGR预测为20%。我们认为,随着全产业链价值不断提升,控制系统作为激光设备之脑,无疑将随之成长,考虑到加工复杂程度攀升,其价值量也有望向上突破。
图表7我国工业激光产业市场规模(亿元)
我国工业激光产业市场规模(亿元)
CAGR=20%
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
2022E 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E
前瞻产业研究,
控制系统占成本比重较小,但盈利能力出众。从成本分布情况来看,激光器、床身等基础硬件占比较高,分别占四成和三成左右,但受制于原料/元器件成本,其毛利率相对较低,并且部分成熟产品竞争激烈,厂商议价能力相对一般。运控系统则相反,其占整体成本比重较低,但具备较高技术壁垒和用户粘性,竞争参与者少,毛利率高,在价值链中表现出良好的利润属性。
图表8激光切割设备成本分布情况
激光器 床身 切割头 运控系统 其他
20%
40%
5%
5%
华经产业研究院,
30%
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以业内各公司2021年披露的数据为例,其激光加工控制系统业务毛利率为72%,加总其硬件业务后,%。柏楚电子则整体毛利率高达约80%,虽环比有所下降,但仍表现亮眼。维宏股份业务组成则更为复杂,横跨3C、激光、切削等多个领域,硬件产品也相对更加丰富,因此其综合毛利相对较低,但仍高于激光器、激光头、机械臂等其他产业链内部件提供商。
图表9业内公司毛利率水平
柏楚电子销售毛利率(%) 金橙子销售毛利率(%)维宏股份销售毛利率(%)
85
80
75
70
65
60
55
50
2019 2020 2021 2022Q3
,
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伺服与振镜控制系统技术路径差异与应用领域分野
振镜与激光技术路线,控制原理、适用场景存在显著差异。振镜控制适用于高速微加工,伺服激光适用于大面积宏加工。从激光光路驱动方式来看,可分为通过镜片摆动调整光路,将激光指向目标位置的振镜控制,以及依靠伺服电机驱动激光头移动至正确位置的伺服控制两种类型。振镜激光主要用于标刻、钻孔、3D打印、精密切割等场景,以高速度、高精度、微加工为核心特征。伺服激光则用于大幅面的切割、焊接,广泛适用于钣金加工、汽车制造、航空航天领域。
图表10振镜控制系统和伺服控制系统对比(一)
资料来源:整理
精密加工领域:从精度要求来看,精密加工对于精度存在不同程度的严格要求,晶圆领域直线切割精度高达3μm。-10μm之间,伺服电机则一般要求达到50μm左右。而从速度要求来看,部分高速标刻需要达到1500/分钟的赋码速度。此外,由于加工材料类型众多,其对不同激光的吸收作用存在差异,部分材料须使用特定波长、特定功率、特定工作机制的激光器才能进行加工。例如晶圆切割因为其材质薄脆,一般只使用10w以内的超快激光。
金属板材加工领域:通常涉及大幅面匀速加工,-,运功轨迹的速度约为200mm/s,在切割焊接过程中往往需要采用500W以上大功率激光器。
图表11振镜控制系统和伺服控制系统对比(二)
技术路线 适用材质 适用场景举例 适用工艺 适用激光器类型 加工核心性能指标
高速标刻 表面加工
激光打孔 打孔加工
通常使用10W-100W
激光器
通常使用100-200W激光器,根据加工需要调整适配功率
单个二维码(10x10mm)的赋码速度高达1,200-1,500/分钟
高速扫描速度可达7mm/s,钻孔真圆度高于95%
振镜控制
广泛应用于金属、
电阻微调修刻 精密修调 通常使用10W以内
的紫外激光器
加工最小线宽可达4μm,
系统 非金属材料加工
FPC板、PCB板切 精密切割割
通常使用10W-30W
激光器
加工精度可达±20μm;协调振镜与XY平台工作,实现类无限幅面振镜加工能力
晶圆切割 精密切割 通常使用10W-30W
紫外激光器
500W-2,000W,根
切割直线精度要求达到3μm/205mm甚至更高水平
以1,000W为例,钢件熔深控
伺服控制系统
主要用于金属板材、管材的切割
激光焊接 焊接
金属板材或管材切割 切割
据加工需求可适配更高功率
500W-2,000W,根据
加工需求可适配更高功率
制在2-3mm
激光轨迹运动速度要求约200mm/s;-
金橙子招股书,
从市场主要参与者来来看,目前国内厂商已具备核心技术能力和一定的国际竞争力。伺服控制系统方面,中低功率领域,以柏楚电子为首的国内企业已经拥有国际领先
的技术水平,其产品在稳定性、可靠性、精度、速度方面均不落下风,柏楚电子、维宏
股份、奥森迪科占国内市场90%以上份额。高功率领域,以德国倍福、PA、西门子等为代表的国际企业仍占有较为明显的先发优势,国内厂商占比仍处在较低水平,但国内领军者柏楚电子市占率正在攀升,其招股书数据显示,该公司占国内高功率激光市场份额为10%(2019),华经产研给出的2020年市场份额数据显示,该数值已经上升至17%。
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振镜控制系统方面,德国SCAPS和SCANLAB作为行业先驱,积累了可观的先进技术和市场占有率,在高端领域占有重要的市场地位,根据行业内供应商出货数据及高端应用情况测算,2020年我国高端振镜控制系统的国产化率为15%(来源:金橙子招股书),存在较为显著的国产空间。国内企业方面,金橙子市占率于2020年达到
%,系国内振镜控制系统领先企业。此外,我国台湾企业兴诚科技,致力于激光标刻软件开发,目前已成为相关领域的标杆型企业。
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图表12振镜控制系统和伺服控制系统对比(三)
资料来源:整理
图表13振镜控制系统和伺服控制系统对比(四)
整理
对于振镜激光系统而言,超快激光器作为激光发生的核心部件,可分为固体、光纤和混合三种,其激光波长和功率区间为核心参数指标,此外还有峰值功率、频率、单脉冲能量等多重考量因素。振镜电机则充当光路调整和控制的重要硬件,通过施加模拟电压信号,控制反射镜片改变角度,使激光投射点移动至指定位置,完成标刻、钻孔、切割等操作。CAD/CAM等工业设计软件则负责工件结构、轮廓、纹理的设计和绘制,相对独立。振镜控制系统承接和识别设计图纸提供的信息,利用3D引擎和图显引擎进行绘制,并控制激光器和电机执行对应操作。