ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Лазерные технологические установки на основе полупроводниковых лазеров

Рекомендуемая область пременения

Системы диодной накачки твердотельных лазеров, сверхмощные лазерные системы на основе твердотельных лазеров для термоядерного синтеза, лазерные дальномеры, медицинские лазерные приборы, лазерные технологические установки резки, сварки, наплавки, поверхностного упрочнения материалов, высокоэффективные осветители и прожекторы.

Назначение, цели и задачи проекта

Целью проекта является внедрение нового поколения высокоэкономичных лазерных технологических установок и систем на основе высокоэффективных полупроводниковых лазерных диодов (изготовленных из полупроводниковых нано - размерных гетероструктур) в машиностроение, приборостроение и другие отрасли промышленности.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Благодаря фундаментальному научному заделу, созданному за 40 лет многими научными школами выдающихся российских ученых, сегодня имеются прекрасные возможности для разработки и производства новейших типов лазеров и лазерных технологических систем (ЛТС) на их основе. Благодаря бурному прогрессу в этой области науки и техники в мировой промышленности сегодня происходит смена поколений технологических лазерных установок. На смену ставшим уже традиционными твердотельным лазерам с ламповой накачкой приходят твердотельные лазеры с диодной лазерной накачкой. В новейших лазерных системах вместо оптических ламп, имеющих малый ресурс работы (не более 500-1000ч.) и низкий К.П.Д., теперь применяются гетеролазерные диоды с К.П.Д., достигающим 76%, имеющие высокую долговечность и малую энергоемкость. Кроме того, уже разработаны мощные линейки лазерных диодов с выходной оптической мощностью 100Вт в непрерывном режиме и наборные решетки лазерных диодов на их основе с выходной оптической мощностью 2 кВт. Эти мощные диодные лазеры позволяют производить различные виды лазерных технологических установок (для резки, сварки, закалки, например) непосредственно на полупроводниковых лазерах (и избежать, таким образом, потерь энергии из-за необходимости применять дополнительную накачку твердотельных кристаллов). Достигнутый практически ресурс нового поколения диодных лазерных систем накачки квазинепрерывном режиме превышает 10 ⁹ импульсов, а непрерывном режиме составляет 5000-10000 ч. Крупнейшими зарубежными производителями ЛТС, успешно работающими на мировом рынке, являются ведущие немецкие фирмы фирмы - Trumpf; Rofin-Sinar. Объем продаж только полупроводниковых лазеров на мировом рынке составляет более 1,5 млрд. долларов США в год и постоянно возрастает на 5-10 % ежегодно. На мировом рынке лазерного технологического оборудования (использующего также лазерные диоды) преобладают три страны: США, Германия, Япония. По прогнозу журнала Three-Fives Review спрос на лазеры, использующиеся в качестве оборудования для резки и сварки в промышленном производстве и операционного оборудования в хирургии, увеличивается. Общий объём продаж лазерных систем увеличится с 6,4 млрд. Евро в 2005г. до 10,2 млрд. Евро в 2010г. в сравнении с его небольшим увеличением от 3,2 млрд. Евро в 1999г. до 4,0 млрд. Евро в 2002.

Проведенное маркетинговое исследование выявило ряд лазерных технологий и реальные потребности предприятий во внедрении в массовое производство изделий машиностроения и авиационной техники и др. перспективных направлений лазерной обработки: Изготовление деталей из листового материала методом лазерного раскроя металлического листа толщиной до 2мм, обеспечивающего экономию материала и полную автоматизацию (компьютерное управление) процесса производства. Также установлена потребность в ЛТО для раскроя толстого металлического листа толщиной до 40мм, а также до 100мм и выше. Лазерная маркировка изделий. Лазерная сварка изделий с толщиной до 2 мм. Сварка деталей авиационного фюзеляжа из алюминиевого сплава толщиной 1,2 мм (приварка стрингера к обшивке). Лазерное сверление отверстий, термоупрочнение деталей штампов и инструмента. Сварка растяжимых сварных решётчатых конструкций (РСРК), изготавливаемых из низкоуглеродистой стальной проволоки.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

ФГУП «НПП «Инжект» выполняет разработки и ведет крупносерийное производство полупроводниковых гетеролазерных диодов (ЛД), линеек и наборных решеток ЛД. Коллектив предприятия состоит из 85постоянных сотрудников и объединяет высококвалифицированных специалистов в области квантовой электроники и физики полупроводников, ИТР и рабочих.

Научно-производственная база предприятия представляет собой лаборатории и производственную линию с полным циклом изготовления лазерных полупроводниковых излучателей, начиная с изготовления полупроводниковых подложек. Производственный цикл  составляет  жидкофазное эпитаксиальное выращивание полупроводниковых структур, последующий пост _- ростовой  планарный технологический цикл, сборку и нанесение оптических покрытий участки измерения параметров, ресурсных и других видов  испытаний изделий. ЛД изготавливаются на основе  высокоэффективных полупроводниковых  лазерных гетероструктур отечественного производства, выращенных методом парофазной гетероэпитакии (MOCVD) на предприятии «СИГМ-Плюс» (Москва), ФТИ РАН

(Санкт-Петербург). На предприятии имеется система управления качеством продукции готовиться сертификация по системе ИСО-9000.

     Современные лазерные диоды (ЛД), линейки и решетки ЛД являются ключевыми оптико-электронными компонентами, оп­ределяющими развитие современных лазерных технологий, оп­тико-электронных приборов и навигационных систем. По физи­ческому принципу работы полупроводниковые лазерные диоды являются оптическими квантовыми генераторами электромагнит­ных волн инфракрасного диапазона спектра. Современные ЛД изготавливаются на основе полупроводниковых наноразмерных гетероструктур, изготовленных из соединений GaAs/GaAIAs и InP/ InGaAsP. Выращивание таких гетероструктур производится на высокотехнологичных промышленных эпитаксиальных установ­ках, обеспечивающих рост слоев полупроводниковых соедине­ний с квантово-размерными слоями методами газофазной эпи-таксии из металлоорганических соединений (MOCVD). Изготовление полосковой геометрии миниатюрного активного излучающего элемента, представляющего собой полупроводни­ковый кристалл с размерами порядка 5000*1000*100 микрон, производится методом прецизионной оптической фотолитог­рафии в планарном производственном цикле, традиционном для полупроводниковой промышленности.

     На предприятии  «Инжект» в 1997-2003 гг. были разработаны и внедрены в производство  несколько типов мощных диодных лазерных линеек и решеток и систем для накачки твердотельных лазеров с плотностью оптической выходной мощности 1 кВт/см²  с длиной волны излучения 808нм и 793нм, частотой следования

импульсов до100 Гц, длительностью импульсов до 800мкм. Эти изделия являются промышленными  высокоэффективными системами диодной накачки для твердотельных лазеров нового поколения. Выполненные работы соответствуют мировому промышленному уровню, а в области импульсных твердотельных лазеров диодной накачкой опережают его. «Инжект» серийно выпускает мощные линейки ЛД квазинепрерывного режима работы – ЛЛД-20 и непрерывного - ЛЛД-15, а также  двухмерные матрицы ЛД квазинепрерывного режима работы - 32ДЛ-501, 502, 503 и СЛМ-3 с встроенным термоэлектрическим микроохладителем, СЛМ-1 и СЛМ-2 с водяным микроканальным охлаждением.

Технические решения в конструкциях ЛД линеек и решеток отличаются оригинальностью технических решений и могут быть объектом охраны ИС как в РФ так и за рубежом.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Увеличение объема и конкурентоспособности отечественной высокотехнологической продукции,  сокращение продолжительности подготовки производства, снижение энергоемкости, трудоемкости и производственных затрат, увеличение коэффициента использования материалов, ресурса работы, к.п.д., долговечности, создание дополнительных рабочих мест, подготовка и переподготовка кадров ИТР.

Средний экономический эффект при грамотном освоении ЛТУ составляет 8-10 руб. на рубль затрат. Рентабельность инвестиций составляет 22 %.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Внедрение одной только лазерной технологии раскроя листового металла на машиностроительном заводе сокращает продолжительность подготовки производства новых изделий в 3-5 раз, снижает трудоемкость и производственные затраты в 3-4 раза, увеличивает на 30-40% коэффициент использования материалов, существенно повышает качество продукции. Повышен ресурс работы, к.п.д., долговечность, экологическая чистота, снижена себестоимость продукции на 15 %, а также энергоемкость. Достигается полная автоматизация производства.

Новые потребительские свойства продукции

По ряду основных параметров выпускаемые "Инжект" ЛД соответствуют лучшим зарубежным изделиям- аналогам, имею¬щимся на рынке. Выпускаемые "Инжект" наборные решетки ква¬зинепрерывного режима работы со встроенным термоэлектри¬ческим охладителем СЛМ-3 не имеют в настоящее время аналогов на мировом рынке. Основные преимущества предлагаемой кон¬струкции - герметичный корпус, высокая надежность и долго¬вечность.
Сокращается продолжительность подготовки производства новых изделий в 3-5 раз, снижается трудоемкость и производственные затраты в 3-4 раза, увеличивается на
30-40% коэффициент использования материалов, существенно повышается качество продукции.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

НИОКР, коммерциализация

Предлагаемые инвестиции

30 млн. руб.

Рынки сбыта

Фирмы-производители (ОЕМ) лазерных технологических установок и систем;
конечные потребители лазерных установок - машиностроительные,
приборостроительные предприятия;
научно-исследовательские центры, лаборатории, ВУЗы.

Изготовленные в «Инжект» системы диодной накачки успешно внедрены в ведущих научных центрах страны – РФЯЦ ВНИИТЭФ, РФЯЦ ВНИИТФ, МВТУ, Москва, ИПФАН РАН, г. Н. Новгород, в которых реализованы твердотельные лазеры нового типа с диодной накачкой. Выполненные работы соответствуют мировому промышленному уровню, а в области импульсных твердотельных лазеров диодной накачкой опережают его.

Возможность и эффективность импортозамещения

По ряду основных параметров выпускаемые "Инжект" ЛД соответствуют лучшим зарубежным изделиям- аналогам, имею¬щимся на рынке. Выпускаемые "Инжект" наборные решетки ква¬зинепрерывного режима работы со встроенным термоэлектри¬ческим охладителем СЛМ-3 не имеют в настоящее время аналогов на мировом рынке. Основные преимущества предлагаемой кон¬струкции - герметичный корпус, высокая надежность и долго¬вечность. Возможно замещение импортных аналогов предлагаемым проектом. Выполненные работы соответствуют мировому промышленному уровню, а в области импульсных твердотельных лазеров диодной накачкой опережают его. «Инжект» серийно выпускает мощные линейки ЛД квазинепрерывного режима работы – ЛЛД-20 и непрерывного - ЛЛД-15, а также двухмерные матрицы ЛД квазинепрерывного режима работы - 32ДЛ-501, 502, 503 и СЛМ-3 с встроенным термоэлектрическим микроохладителем, СЛМ-1 и СЛМ-2 с водяным микроканальным охлаждением. Сокращается продолжительность подготовки производства новых изделий в 3-5 раз, снижается трудоемкость и производственные затраты в 3-4 раза, увеличивается на 30-40% коэффициент использования материалов, существенно повышается качество продукции.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

16.05.2007