金屬3D打印打開光纖激光應(yīng)用新大門！

作者：飛哥

熬過了黑暗，總會(huì)有曙光出現(xiàn)，這或許是國內(nèi)激光行業(yè)對(duì)于2023年最大的期待。在經(jīng)過10多年一路狂飆之后，國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)突然遭遇瓶頸。材料加工作為激光應(yīng)用最主要的領(lǐng)域，近年來市場需求一直萎靡不振，加之價(jià)格競爭愈發(fā)激烈，激光企業(yè)利潤空間不斷被壓縮。站在新的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)亟需找到新的藍(lán)海市場。

國家重點(diǎn)支持，下一個(gè)千億市場涌現(xiàn)

相對(duì)于激光切割等減材制造技術(shù)，以3D打印為代表的增材技術(shù)雖然一直很火，但總是顯得非�！靶”姟保�特別是在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。從發(fā)展歷程來看，3D打印技術(shù)于19世紀(jì)末起源于美國，在20世紀(jì)80年代后期發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用，其中金屬材料3D打印技術(shù)發(fā)展尤為迅速。

金屬3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，在航空航天、汽車、消費(fèi)品、醫(yī)療、一般工業(yè)等領(lǐng)域逐步開始獲得規(guī)�；瘧�(yīng)用。過去30年，我國金屬3D打印技術(shù)特別是裝備技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

金屬3D打印興起于歐美國家，我國自20世紀(jì)90年代中期開展金屬3D打印技術(shù)研究，研究的重點(diǎn)以能量沉積法（DED）和粉末床熔融法（PBF）為主，其中西北工業(yè)大學(xué)、北京航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)等都進(jìn)行了大量研究。1997年，西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了“金屬粉材激光立體成形的熔凝組織與性能研究”，是我國第一個(gè)正式立項(xiàng)科研項(xiàng)目。2012年，北京航空航天大學(xué)DED-L方面的研究成果獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。2017年我國金屬3D打印領(lǐng)域的第一個(gè)材料標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 34508-2017)制定.....

△2021-2023年每年金屬增材制造產(chǎn)品打印數(shù)量

根據(jù)知名增材制造行業(yè)市場數(shù)據(jù)和咨詢服務(wù)提供商SmarTech最新報(bào)告，預(yù)計(jì)到2031年，金屬3D打印技術(shù)每年將生產(chǎn)超過750億美元的組件。由于金屬增材制造對(duì)供應(yīng)鏈短缺強(qiáng)大的彌補(bǔ)作用，強(qiáng)調(diào)采用該技術(shù)并加大投資的趨勢不會(huì)改變，市場整體將繼續(xù)快速發(fā)展。

近日，科技部“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)立項(xiàng)通過公示，將重點(diǎn)圍繞難熔金屬材料增材制造、超快激光制造等技術(shù)方向，在基礎(chǔ)理論和前沿技術(shù)、核心功能部件、關(guān)鍵技術(shù)與裝備、典型應(yīng)用示范全鏈條重點(diǎn)部署，推動(dòng)我國增材制造技術(shù)總體達(dá)到世界一流，基本實(shí)現(xiàn)全球領(lǐng)先總體目標(biāo)。

除此之外，《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》、《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017—2020年）》、《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》、《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動(dòng)計(jì)劃（2020—2022年）》等多項(xiàng)國家規(guī)劃中都明確支持增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，加之產(chǎn)業(yè)鏈配套不斷完善，以金屬3D打印為代表的增材制造將成為智能制造領(lǐng)域下一個(gè)重要方向。

光纖激光器成金屬3D打印理想熱源

增材制造技術(shù)通過CAD 設(shè)計(jì)軟件制作出3D模型，并轉(zhuǎn)換為增材制造標(biāo)準(zhǔn)化格式的STL文件，系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上將該零件在某一易于加工的方向上分割成多層，最后依靠專門的打印設(shè)備，使用金屬粉末、樹脂、陶瓷粉末等各種材料，逐層不斷累積疊加、堆積、粘結(jié)，最終形成零件整體。在整個(gè)過程中，熱源選擇對(duì)于加工效果至關(guān)重要。

經(jīng)過多年發(fā)展，激光束已經(jīng)成為金屬3D打印最主流的熱源。相對(duì)于電子束、微束等離子，激光束具有光斑細(xì)、成本低、可定向作用到指定材料位置等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)金屬材料的瞬間熔凝，滿足熔道搭接和零件成形的要求。

金屬3D打印用激光器經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，主要有CO2激光器、YAG激光器以及光纖激光器。CO2激光器本身輸出波長很長，金屬材料的吸收率較低，因此早期金屬打印用的CO2激光器功率動(dòng)輒幾千瓦。YAG激光器能夠輸出1.06μm的波長，與金屬的偶合效率高、加工性能良好，有效功率遠(yuǎn)高于CO2激光器。隨著光纖激光器開始大規(guī)模商用，成本進(jìn)一步降低，憑借其易于集成、電光轉(zhuǎn)換率更高、性能更穩(wěn)定等優(yōu)勢，已經(jīng)成為金屬3D打印最主流的熱源。

金屬3D打印過程主要依靠激光熱效應(yīng)，逐層對(duì)金屬粉末熔化成型，通過一層一層疊加累積最終完成零件加工。在加工過程中，零部件打印層數(shù)通常比較多，打印時(shí)間很長，對(duì)激光器功率穩(wěn)定性要求非常高。另外，激光器光束質(zhì)量和光斑大小對(duì)打印精度也至關(guān)重要。因此，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，金屬3D打印激光器主要依賴國外進(jìn)口。

近些年，隨著國產(chǎn)光纖激光器產(chǎn)品功率水平及可靠性大幅度提升，已經(jīng)能夠滿足金屬3D打印應(yīng)用需求。以常見的選擇性激光熔融成形（SLM）為例，對(duì)光纖激光器平均功率大致要求200W-1000W之間。作為國內(nèi)光纖激光器頭部廠商，杰普特在連續(xù)光纖激光器方面已經(jīng)完整覆蓋200W-40000W區(qū)間，能夠?yàn)榻饘?D打印光源提供多樣性選擇。

在產(chǎn)品方面，杰普特連續(xù)光纖激光器可通過控制接口及標(biāo)配軟件可對(duì)激光器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警提示，并可對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集記錄。激光器采用水冷散熱及上架式機(jī)箱設(shè)計(jì)，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、能耗較低、結(jié)構(gòu)緊湊、免調(diào)節(jié)維護(hù)、光纖柔性傳導(dǎo)輸出、便于客戶集成使用等眾多優(yōu)點(diǎn)，為金屬3D打印提供了理想光源選擇。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)更好的3D打印效果，適應(yīng)市場需求，杰普特針對(duì)3D打印行業(yè)特別推出了高配版500W/1000W激光器，并進(jìn)行了性能上的優(yōu)化，使之能夠更好的投入到3D打印應(yīng)用中，并且可根據(jù)客戶工藝需求進(jìn)行定制。

△杰普特500W/1000W激光器

杰普特高配版激光器提高了狀態(tài)信號(hào)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，可驅(qū)動(dòng)更高電流的繼電器，提高模擬量的響應(yīng)速度，使得出光延時(shí)得到很大程度的壓縮；提升光束質(zhì)量，確保M2≤1.1；提升功率穩(wěn)定性，長時(shí)間功率穩(wěn)定性可達(dá)到1%以內(nèi)；添加網(wǎng)口功能，使得激光器的通信控制更加便捷；擴(kuò)大調(diào)制頻率的可調(diào)范圍至50KHz，對(duì)于不同的應(yīng)用場景適應(yīng)性更強(qiáng)。

△杰普特高配版光纖激光器客戶現(xiàn)場應(yīng)用

△杰普特激光3D打印應(yīng)用

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，金屬3D打印最開始主要用于航空航天領(lǐng)域。隨著其他應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步普及，國產(chǎn)光纖激光器也將獲得更多的應(yīng)用空間，從而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)向前發(fā)展。

金屬3D打印逐步開啟國產(chǎn)化進(jìn)程

近幾年雖然遭受疫情影響，全球金屬3D打印仍保持著高速增長的趨勢。SmarTech Analysis 數(shù)據(jù)顯示，2019年全球金屬增材制造市場規(guī)模為33億美元，到2024年市場規(guī)模將擴(kuò)張至110 億美元，2019-2024年CAGR高達(dá) 27.2%。

從產(chǎn)業(yè)鏈分布來看，上游金屬材料價(jià)值更高，生產(chǎn)壁壘也更高。金屬材料通常為金屬粉末，主要包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁合金和其他高溫合金，主要應(yīng)用在航空航天、軍工、汽車等領(lǐng)域，對(duì)材料特性要求非常高。目前，國內(nèi)高端金屬粉末可供應(yīng)的廠家相對(duì)較少，主要還是依賴進(jìn)口。相反在設(shè)備方面，國產(chǎn)廠商正在加速實(shí)現(xiàn)替代。

金屬3D打印設(shè)備主要包括激光器、振鏡、主板、DLP 光引擎、掃描儀等部件。從價(jià)值量占比來看，激光器一般占整體設(shè)備成本20%以上， 并且隨著設(shè)備升級(jí)，激光器在同一臺(tái)3D打印機(jī)中安裝的數(shù)量、品質(zhì)也將提升，其價(jià)值占比將會(huì)更高。從目前國產(chǎn)金屬3D打印設(shè)備廠商產(chǎn)品來看，基于穩(wěn)定性和品質(zhì)方面考慮，激光器普遍采用進(jìn)口品牌，國產(chǎn)替代空間較大。

從產(chǎn)品輸出功率來看，國產(chǎn)光纖激光器產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)國外產(chǎn)品的趕超，基本上處于同一梯隊(duì)，并且在薄板切割應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對(duì)國外產(chǎn)品大部分替代。近些年，隨著國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)邁入全新階段，國產(chǎn)廠商對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)愈發(fā)關(guān)注，并持續(xù)加大研發(fā)投入，在高端應(yīng)用領(lǐng)域也逐步開啟國產(chǎn)替代。

正如杰普特多年的發(fā)展一樣，不管市場如何變化，憑借產(chǎn)品穩(wěn)定性強(qiáng)的特性，在高端制造領(lǐng)域走出了一條自己的道路，從MOPA光纖激光器對(duì)國外品牌的反超，到打入全球頭部手機(jī)廠商供應(yīng)鏈，再到成為動(dòng)力電池頭部廠商供應(yīng)商，這也都時(shí)對(duì)其產(chǎn)品品質(zhì)的很好說明。隨著國內(nèi)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，杰普特也將在這一藍(lán)海市場加速推進(jìn)國產(chǎn)化替代。

當(dāng)前，我國正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新模式的涌現(xiàn)驅(qū)動(dòng)制造業(yè)持續(xù)發(fā)展。近年來，3D打印在航空航天、汽車制造，生物醫(yī)療及其他領(lǐng)域逐步成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件研制與生產(chǎn)的核心技術(shù)。面對(duì)愈發(fā)內(nèi)卷的挑戰(zhàn)，金屬3D打印有望成為國內(nèi)光纖激光器又一個(gè)潛力市場！