張建敏：激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

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)年會在安徽蕪湖市舉行,，此次年會由工業(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本次會議進(jìn)行了直播,。

△中國光協(xié)激光應(yīng)用分會秘書長 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)用分會秘書長張建敏發(fā)表主題演講,，題目是《激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢》,，以下是本場演講的現(xiàn)場速記，經(jīng)大會組委會授權(quán)發(fā)布,。

△視頻：張建敏《激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢》

張建敏（中國光協(xié)激光應(yīng)用分會秘書長）：
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)人對激光制造應(yīng)用現(xiàn)狀趨勢的幾點(diǎn)粗淺的看法,。分三個(gè)部分,，分引言、現(xiàn)狀和趨勢展望,。

一,、引言部分
我首先介紹一下中國光協(xié)激光應(yīng)用分會。激光應(yīng)用分會是中國光協(xié)下面的分會,，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,，為我國科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。應(yīng)用分會發(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),。首任理事長是高云鵬先生,。照片中右邊這位是中國光協(xié)的理事長應(yīng)明炯先生，左邊是應(yīng)用分會的理事長高云鵬先生,。

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,。

激光自1960年發(fā)明以后就成為了我們?nèi)祟愓J(rèn)識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,、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,，采用不同波長的激光器可以對不同的材料進(jìn)行有效的焊接,。激光焊接在汽車行業(yè)應(yīng)用比較多，覆蓋動力總成與傳動系統(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期承受高溫大氣流長時(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α鲌龅牟缓侠頂_動會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很干凈。在發(fā)動機(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,。這些都是對界面的激光處理。像風(fēng)力發(fā)動機(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)場搶修研發(fā)了一些再制造的移動零件醫(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,，我們在現(xiàn)在這個(gè)規(guī)模至少還能夠有50%以上的成長空間,。

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,，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，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)向型市場為主逐步內(nèi)外結(jié)合的全球化市場推進(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)域取得絕對優(yōu)勢,，在未來科技競爭中獲得部分話語權(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,，有效支撐我國社會的創(chuàng)新驅(qū)動和可持續(xù)發(fā)展并創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益；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,，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：熱加工用十萬瓦級高亮度連續(xù)激光器,； 冷加工用萬瓦級超短脈沖激光器,；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,。在需求識別方面，系統(tǒng)總體要對應(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、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�,；�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,。

我們在做新裝備研制中，有以下幾點(diǎn)體會：
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，對需求有敏銳感知,、具體把握,，對新技術(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、中介機(jī)構(gòu)等多元?jiǎng)?chuàng)新主體的聯(lián)系和互動,。
激光應(yīng)用分會期望在這這個(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、互動的平臺作為,，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月份出版的專刊,，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,！