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，總會有曙光出現(xiàn),，這或許是國內(nèi)激光行業(yè)對于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,。站在新的時間節(jié)點上，國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)亟需找到新的藍(lán)海市場,。

國家重點支持,，下一個千億市場涌現(xiàn)

相對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3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向,，在航空航天,、汽車、消費品,、醫(yī)療,、一般工業(yè)等領(lǐng)域逐步開始獲得規(guī)模化應(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)等都進行了大量研究,。1997年，西北工業(yè)大學(xué)進行了“金屬粉材激光立體成形的熔凝組織與性能研究”,，是我國第一個正式立項科研項目,。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。2017年我國金屬3D打印領(lǐng)域的第一個材料標(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最新報告,，預(yù)計到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供應(yīng)鏈短缺強大的彌補作用,，強調(diào)采用該技術(shù)并加大投資的趨勢不會改變,，市場整體將繼續(xù)快速發(fā)展。

近日,，科技部“十四五”國家重點研發(fā)計劃“增材制造與激光制造”重點專項立項通過公示,，將重點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)用示范全鏈條重點部署,，推動我國增材制造技術(shù)總體達到世界一流，基本實現(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)展行動計劃（2017—2020年）》,、《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015—2016年）》,、《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動計劃（2020—2022年）》等多項國家規(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)在計算機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,。在整個過程中，熱源選擇對于加工效果至關(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,，可實現(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,，打印時間很長,，對激光器功率穩(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,，能夠為金屬3D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)配軟件可對激光器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控及報警提示,，并可對運行數(shù)據(jù)進行收集記錄。激光器采用水冷散熱及上架式機箱設(shè)計,，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,、光纖柔性傳導(dǎo)輸出、便于客戶集成使用等眾多優(yōu)點,，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3D打印行業(yè)特別推出了高配版500W/1000W激光器,，并進行了性能上的優(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)信號負(fù)載的驅(qū)動能力，可驅(qū)動更高電流的繼電器,，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，長時間功率穩(wěn)定性可達到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；擴大調(diào)制頻率的可調(diào)范圍至50KHz,，對于不同的應(yīng)用場景適應(yīng)性更強,。

△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)模將擴張至110 億美元,，2019-2024年CAGR高達 27.2%。

從產(chǎn)業(yè)鏈分布來看,，上游金屬材料價值更高,，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)的廠家相對較少，主要還是依賴進口,。相反在設(shè)備方面,，國產(chǎn)廠商正在加速實現(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,，激光器在同一臺3D打印機中安裝的數(shù)量、品質(zhì)也將提升,，其價值占比將會更高,。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)實現(xiàn)對國外產(chǎn)品的趕超,，基本上處于同一梯隊,，并且在薄板切割應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對國外產(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光纖激光器對國外品牌的反超,，到打入全球頭部手機廠商供應(yīng)鏈,，再到成為動力電池頭部廠商供應(yīng)商，這也都時對其產(chǎn)品品質(zhì)的很好說明,。隨著國內(nèi)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展,，杰普特也將在這一藍(lán)海市場加速推進國產(chǎn)化替代。

當(dāng)前,，我國正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期,，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè),、新模式的涌現(xiàn)驅(qū)動制造業(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)光纖激光器又一個潛力市場,！