張建敏：激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2020年8月20日-21日，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)在安徽蕪湖市舉行，此次年會(huì)由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對(duì)本次會(huì)議進(jìn)行了直播。

△中國光協(xié)激光應(yīng)用分會(huì)秘書長(zhǎng) 張建敏

在“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，中國光協(xié)激光應(yīng)用分會(huì)秘書長(zhǎng)張建敏發(fā)表主題演講，題目是《激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)》，以下是本場(chǎng)演講的現(xiàn)場(chǎng)速記，經(jīng)大會(huì)組委會(huì)授權(quán)發(fā)布。

△視頻：張建敏《激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)》

張建敏（中國光協(xié)激光應(yīng)用分會(huì)秘書長(zhǎng)）：
尊敬的各位專家、朋友下午好！
下面我跟大家匯報(bào)一下個(gè)人對(duì)激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀趨勢(shì)的幾點(diǎn)粗淺的看法。分三個(gè)部分，分引言、現(xiàn)狀和趨勢(shì)展望。

一、引言部分
我首先介紹一下中國光協(xié)激光應(yīng)用分會(huì)。激光應(yīng)用分會(huì)是中國光協(xié)下面的分會(huì)，去年11月26日正式掛牌，是由從事激光技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用、投資、檢測(cè)認(rèn)證、咨詢、教育、培訓(xùn)的有關(guān)單位、個(gè)人自愿發(fā)起成立的全國性非營(yíng)利組織。目的就是為了能夠引導(dǎo)激光產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，為有關(guān)單位及科研人員提供產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，為我國科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。應(yīng)用分會(huì)發(fā)起的單位包括大族激光、中電科十一所、中科院半導(dǎo)體所、中國久遠(yuǎn)、清華精儀系、北工大激光院、武漢銳科、長(zhǎng)光華芯、濟(jì)南邦德激光、浙大光電院 、福晶科技、華光光電等單位，這里面有研究所、有高校和企業(yè)。首任理事長(zhǎng)是高云鵬先生。照片中右邊這位是中國光協(xié)的理事長(zhǎng)應(yīng)明炯先生，左邊是應(yīng)用分會(huì)的理事長(zhǎng)高云鵬先生。

我來自中國久遠(yuǎn)公司。中國久遠(yuǎn)是中國工程物理研究院的直屬獨(dú)資企業(yè)，是中國工程物理研究院高新技術(shù)裝備的主要研制生產(chǎn)基地和對(duì)外窗口。今天可以跟在座的報(bào)告的典型產(chǎn)品是“低空衛(wèi)士”系列產(chǎn)品：最左邊是2014年新華網(wǎng)發(fā)布的系統(tǒng)照片，中間第二張是在九三閱兵中在天安門附近執(zhí)勤的樓頂分布式系統(tǒng)，右邊是我們?nèi)ツ昴瓿踉诎⒉荚�比防�?wù)展參展的車載激光系統(tǒng)，這些都是針對(duì)肇事無人機(jī)處置的裝備。圍繞安防裝備應(yīng)用，中國久遠(yuǎn)依托中物院的技術(shù)也在布局從激光材料到激光器的系列產(chǎn)業(yè)平臺(tái)。

激光自1960年發(fā)明以后就成為了我們?nèi)祟愓J(rèn)識(shí)世界和改造世界的重要工具，跟多個(gè)學(xué)科結(jié)合，已經(jīng)極大的改變和重構(gòu)了科學(xué)教育、生產(chǎn)制造、信息通訊、醫(yī)療診斷和國防等各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用極其廣泛。例如我們今天現(xiàn)在用的信息系統(tǒng)、包括4G、5G，主要的數(shù)據(jù)交換都通過光通信，都依靠以半導(dǎo)體激光芯片為支撐。
在激光的多種應(yīng)用中，激光制造應(yīng)用是產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的激光應(yīng)用領(lǐng)域。

二、現(xiàn)狀部分
2018至、2019年工程院組織了一個(gè)我國激光技術(shù)2035戰(zhàn)略發(fā)展研究，其中里面有個(gè)激光制造課題。課題組與國內(nèi)多個(gè)單位一起分析梳理，可以確認(rèn)在我國現(xiàn)在激光制造領(lǐng)域大概有十幾個(gè)應(yīng)用，最終歸結(jié)到以下5個(gè)方面：

第一，是去除和連接。這里面包括激光打標(biāo)、激光切割、激光打孔和激光焊接。這幾個(gè)大家看圖都有相似性，作為一類。

激光切割大家現(xiàn)在可以經(jīng)�？吹降膽�(yīng)用。目前各種各樣的材料是都已經(jīng)可以通過激光切割來實(shí)現(xiàn)，從鋼板、不銹鋼、鋁合金、硬質(zhì)合金等金屬和玻璃、陶瓷、塑料等非金屬性材料，當(dāng)然這里用的是各種各樣的不同激光器，包括二氧化碳激光器、固體激光器、光纖激光器，也有不同的波長(zhǎng)、頻率和體制。

激光焊接具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并可以和現(xiàn)有焊接技術(shù)復(fù)合使用。在不同的金屬材料之間，金屬材料和非金屬材料之間，采用不同波長(zhǎng)的激光器可以對(duì)不同的材料進(jìn)行有效的焊接。激光焊接在汽車行業(yè)應(yīng)用比較多，覆蓋動(dòng)力總成與傳動(dòng)系統(tǒng)焊接部件，包含渦輪增壓器，飛輪，齒輪，撥叉。

激光打孔。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，我國一直不強(qiáng)，人稱有“心臟病”。重要原因是里面葉片葉片長(zhǎng)期承受高溫大氣流長(zhǎng)時(shí)間沖擊，要求每個(gè)葉片數(shù)十?dāng)?shù)百孔，打孔精度要求很高，表面光滑度要求葉很高，因?yàn)閷?duì)流場(chǎng)的不合理擾動(dòng)會(huì)極大影響燃燒的效率。目前的措施是通過超快激光來進(jìn)行冷加工，超快激光打孔的表面會(huì)很干凈。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中發(fā)揮了重要作用。

激光打標(biāo)。大家可能沒意識(shí)到，但實(shí)際打標(biāo)的應(yīng)用量極大。我們可以看到所有的產(chǎn)品都有二維碼或條形碼等標(biāo)記，都是通過激光打標(biāo)打出來的。這里面是常用的脈沖激光，而不是制造里面常用的連續(xù)激光。

綜合應(yīng)用。在手機(jī)制造中，從切割、打孔各種不一樣的手段都在綜合應(yīng)用，這里面涉及到玻璃、寶石、陶瓷、半導(dǎo)體硅片等多種材料，所以一個(gè)新手機(jī)上線通常伴隨著一大批激光裝備在生產(chǎn)線上進(jìn)行重構(gòu)。特別現(xiàn)在華為折疊手機(jī)里面有70%以上的加工和制造環(huán)節(jié)都通過激光工藝。

第二是激光表面工程，包括激光沖擊強(qiáng)化、激光淬火、激光熔覆，還有最近這些年新發(fā)展起來的激光清洗和激光毛化。這些都是對(duì)界面的激光處理。像風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承，都需要通過淬火強(qiáng)化來提高壽命。

第三是增材制造。大家都是這領(lǐng)域?qū)＜�，我不班門弄斧，不展開了。就是利用數(shù)字模型、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，運(yùn)用粉末、絲狀金屬或者是非金屬等可熔合或粘合材料，通過逐層堆疊的方式來構(gòu)造物體。這里面不同的是材料，可能需要不同的激光來加工。按我的認(rèn)知，未來的系統(tǒng)可能要同時(shí)用多種波長(zhǎng)的激光器來進(jìn)行復(fù)合加工。因?yàn)楫a(chǎn)品系統(tǒng)既是結(jié)構(gòu)還要承力，還要包含各種功能的多種要素，不太可能都僅有一種材料組成。

第四，激光修復(fù)和再制造。實(shí)際上和3D打印是非常相近的。只是對(duì)已經(jīng)用了一段時(shí)間的設(shè)備通過3D打印這種方式進(jìn)行維修，來讓它煥發(fā)青春。有消息指美國軍方已經(jīng)圍繞戰(zhàn)場(chǎng)搶修研發(fā)了一些再制造的移動(dòng)零件醫(yī)院。

第五，激光微納制造。我就不說了，在電子產(chǎn)業(yè)中很普遍大量應(yīng)用。小尺度的，像光刻過程實(shí)際上就是標(biāo)準(zhǔn)、典型的微納制造的過程。

三、趨勢(shì)展望
激光在制造領(lǐng)域的應(yīng)用是極其廣闊的。，依據(jù)中科院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心等每年出版的《中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，從這里面我們看出最近幾年國家科技計(jì)劃在激光制造領(lǐng)域投入年增30%以上，但是相關(guān)數(shù)據(jù)也可看出這里面拿到科研經(jīng)費(fèi)支持的主要單位基本上是科研院所和高校，企業(yè)份額很少。我們判斷梳理認(rèn)為這里面有兩個(gè)原因，一是項(xiàng)目可能都偏基礎(chǔ)，二是項(xiàng)目生成方式可能需要改進(jìn)，出題的專家來自企業(yè)一線的偏少。

激光制造產(chǎn)業(yè)每年增速在20-30%，遠(yuǎn)高于GDP增速，說明激光制造應(yīng)用在擴(kuò)展。制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，我們國家制造業(yè)的整個(gè)的規(guī)模最大，已經(jīng)超過美國、日本、德國三個(gè)國家的總和了；但是我們激光技術(shù)在制造業(yè)里面的滲透率只有30%左右，其他三個(gè)國家都在40%多，這意味著激光制造的應(yīng)用程度達(dá)到這幾個(gè)國家相近的話，我們?cè)诂F(xiàn)在這個(gè)規(guī)模至少還能夠有50%以上的成長(zhǎng)空間。

我國激光制造行業(yè)仍存在一系列不足�？傮w來講還是比較分散的。在中低端水平，我們產(chǎn)品已經(jīng)牢牢占據(jù)了國內(nèi)市場(chǎng)，開始向世界上推出。但在高端產(chǎn)品原創(chuàng)和首創(chuàng)的產(chǎn)品比較少，大部分產(chǎn)品都是跟隨型，即這類產(chǎn)品第一臺(tái)往往是國際上大公司做的，也就是說我們根據(jù)產(chǎn)業(yè)的需求創(chuàng)造開發(fā)出全新的激光裝備的工作做的不夠。這里面體現(xiàn)出科研和產(chǎn)研融合不夠，關(guān)鍵共性技術(shù)供給不足，關(guān)鍵核心部件的國產(chǎn)化程度不夠，是產(chǎn)學(xué)研用金協(xié)同創(chuàng)新不到位。結(jié)論是，我們認(rèn)為激光制造創(chuàng)新空間、發(fā)展空間潛力非常之大。

面對(duì)十九大提出2035年國家發(fā)展目標(biāo)，以及現(xiàn)在正在急劇變化的世界形勢(shì)，我們激光制造有著廣闊的發(fā)展空間，當(dāng)然我們也有很多要解決的問題。我們前面提到很多高端裝備，都在跟隨國外的路；我們要想做世界創(chuàng)新大國，要走到世界的前列，就不可能老跟別人走，我們要在激光制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)以下轉(zhuǎn)變：從粗放型，中低端產(chǎn)品要向高端產(chǎn)品去攀登；從局部進(jìn)口替代向全面的進(jìn)口替代并向世界輸出發(fā)展；以區(qū)域化的內(nèi)向型市場(chǎng)為主逐步內(nèi)外結(jié)合的全球化市場(chǎng)推進(jìn)；從模仿跟隨型向自主創(chuàng)新引領(lǐng)型去發(fā)展。

工程院戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目課題組提出的2035年戰(zhàn)略目標(biāo)設(shè)想，我想這也是一種倡議、希望。我今天跟大家做個(gè)介紹，也希望大家往這個(gè)方向努力。主要內(nèi)容包括：突破激光制造基礎(chǔ)理論，取得原創(chuàng)性技術(shù)成果，超前部署研發(fā)下一代激光制造技術(shù)；探索激光制造新原理、新方法、新技術(shù)；攻克激光制造用核心功能部件；研發(fā)智能化、極端化、高性能先進(jìn)激光制造技術(shù)與系列裝備。期望到2035年：基本實(shí)現(xiàn)我國激光制造全產(chǎn)業(yè)鏈自主供給，解決技術(shù)瓶頸問題，在某些技術(shù)領(lǐng)域取得絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在未來科技競(jìng)爭(zhēng)中獲得部分話語權(quán)；實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到1萬億，有效支撐我國社會(huì)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和可持續(xù)發(fā)展并創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；總體實(shí)力達(dá)到與世界先進(jìn)水平“并跑”，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，支撐我國高端制業(yè)發(fā)展。

項(xiàng)目組也提出了2035年前的重點(diǎn)攻關(guān)裝備：熱加工用十萬瓦級(jí)高亮度連續(xù)激光器； 冷加工用萬瓦級(jí)超短脈沖激光器；激光微納制造新裝備；激光表面制造技術(shù)與裝備；激光復(fù)合制造裝備；三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光智能制造裝備；高可靠高性能智能化精密激光金屬增材制造裝備；幅面及體成形高效高精度激光增材制造裝備；超微/超大極端難加工結(jié)構(gòu)超高效增材制造裝備。

根據(jù)我們做新裝備研制的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為要做一個(gè)全新的裝備研發(fā)，我們需要走通需求識(shí)別、技術(shù)選擇驗(yàn)證、新概念設(shè)計(jì)、研制試用及改進(jìn)驗(yàn)證的過程。在需求識(shí)別方面，系統(tǒng)總體要對(duì)應(yīng)用有深入洞察，判斷有沒有可能；在技術(shù)選擇驗(yàn)證方面需要探討工藝、效率、選什么樣的波長(zhǎng)、什么樣的激光器、頻率等因素，在前兩個(gè)環(huán)節(jié)往往科研單位比較擅長(zhǎng)。基于這樣做成產(chǎn)品的原型，中間進(jìn)行一系列的試用迭代，才能形成綜合的新型裝備。因此，我們國家要做新型的裝備，未來更需要在創(chuàng)新的體系上、創(chuàng)新生態(tài)建設(shè)上做大量的工作。

我們?cè)谧鲂卵b備研制中，有以下幾點(diǎn)體會(huì)：
1）裝備（產(chǎn)品）創(chuàng)新的核心是，以滿足需求為目標(biāo)，而不是效仿別人——跟蹤注定落后，創(chuàng)新才能超越。
2）裝備創(chuàng)新是一個(gè)體系行為，不是一個(gè)人猛然間的靈光一現(xiàn)，不是個(gè)人行為，要組織有意為之。裝備創(chuàng)新不僅僅是提出新的概念，而是要建立從概念提出、原理驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)、評(píng)估、應(yīng)用檢驗(yàn)的全鏈條。
3）裝備創(chuàng)新是需求與技術(shù)可行性的有機(jī)結(jié)合，對(duì)需求有敏銳感知、具體把握，對(duì)新技術(shù)有深刻理解，這就要求研制方與需求方深入溝通、迭代和高效協(xié)同。
4）裝備創(chuàng)新需要多領(lǐng)域多單位的合作、協(xié)同，（機(jī)理研究、技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研發(fā)、市場(chǎng)推廣、金融和政策支持）。

最后，做點(diǎn)小結(jié)：
激光制造大有可為、潛力無限；加速激光制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要在政府、大學(xué)、科研院所、企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會(huì)、中介機(jī)構(gòu)等多元?jiǎng)?chuàng)新主體的聯(lián)系和互動(dòng)。
激光應(yīng)用分會(huì)期望在這這個(gè)發(fā)展過程中，為多元?jiǎng)?chuàng)新主體和行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮交流、互動(dòng)的平臺(tái)作為，并在產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)問題提出與研發(fā)策劃、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定中發(fā)揮積極的推動(dòng)作用。

今天我的匯報(bào)的內(nèi)容有不少來自于《我國激光技術(shù)應(yīng)用2035發(fā)展戰(zhàn)略研究》項(xiàng)目成果。今年《中國工程科學(xué)》第二期6月份出版的�？�，里面有約20篇文章，感興趣的可以從工程院的官網(wǎng)上可以下載。

謝謝大家！