激光器、振鏡等工業(yè)3D打印機核心零部件,，國產(chǎn)化已在路上

南極熊導讀：工業(yè)級3D打�,。ㄌ貏e是金屬）在中國發(fā)展得如火如荼，但是有沒有一些“卡脖子”問題出現(xiàn)呢,？

在當下的先進制造領(lǐng)域,，3D打印技術(shù)因其驚人的創(chuàng)新性和應(yīng)用潛力備受矚目。該技術(shù)的顛覆性優(yōu)勢不僅使得制造業(yè)重新定義了新的可能性,，更在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力,。隨著 3D打印技術(shù)的應(yīng)用不斷成熟，可以實現(xiàn)更加高效率的加工,，精度方面也有突破,。打印效率對于3D 打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化可謂重中之重，通過近年來打印設(shè)備激光器數(shù)量增加,、激光掃描系統(tǒng)速率提升,、激光器功率增大、最大成型尺寸提升,、出粉方式的升級,、工藝規(guī)劃軟件的升級等技術(shù)迭代進步，金屬 3D 打印設(shè)備的生產(chǎn)效率得到了長足的提升,。

適合3D打印用的國產(chǎn)激光器廠商包括：銳科激光,、長飛光坊激光、杰普特激光,、寶辰鑫（創(chuàng)鑫）激光,、大族激光、公大激光,、凱普林,、思創(chuàng)激光等
適合3D打印用的國產(chǎn)振鏡廠商：大族思特、菲鐳泰克,、漢邦激光（自研自用）,、正時精控、世紀桑尼,、鞍山精準,、賽浦森、智博泰克,、旭欣智能等

據(jù)南極熊統(tǒng)計,，目前國產(chǎn)激光器和振鏡應(yīng)用比較多的領(lǐng)域包括齒科金屬3D打印、鞋模/模具類金屬3D打印等，它們的技術(shù)性指標要求相對較低,，而且對成本極為敏感,，國產(chǎn)可以大幅降低成本，從而得到廣泛應(yīng)用,。

在提升打印效率和精度方面,，3D打印裝備上的核心元器件，例如激光器和振鏡等發(fā)揮著舉足輕重的作用,。激光器發(fā)光后,，通過場鏡或者動態(tài)聚焦鏡高度聚焦能力，和振鏡的精準控制,，共同鑄就了金屬3D打印技術(shù)的精密性和效率性,。因此，深入了解相關(guān)核心元器件的功能和優(yōu)勢,，對于探索金屬3D打印技術(shù)的本質(zhì)至關(guān)重要,。

△中國易加三維M1550金屬3D打印機成型倉，打印尺寸可1550mm*1550mm*1000mm,，16束激光正在同時掃描打印,。使用的激光器和振鏡都是進口

激光器

激光是受激輻射產(chǎn)生的光，因方向性強,、能量密度高等特點而具有高加工精度及速度優(yōu)勢,，激光加工對傳統(tǒng)加工方式不斷替代。從產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)來看激光產(chǎn)業(yè)已形成較為完備的產(chǎn)業(yè)鏈分布,。此外,，3D 打印、精密加工,、激光焊接及激光清先等細分領(lǐng)域發(fā)展,，進一步拉動了激光行業(yè)需求的增長。作為激光產(chǎn)業(yè)的核心部件,，激光器是產(chǎn)生激光的核心單元,，它在設(shè)備中價值占比較高。

目前,，市面上用于3D打印的主流激光器的種類包括光纖激光器、固體激光器,、半導體激光器,、二氧化碳激光器，3D打印機會根據(jù)成型材料的不同匹配不同的激光器,。然而激光器制造作為一個獨立的產(chǎn)業(yè),，其不斷的發(fā)展使它們與3D打印工藝的匹配也發(fā)生了很大變化。

△CO2激光器

光固化用紫外激光器有很多類型,，如早期的氦鎘激光器（波長325nm,，功率15－50mw）或氬離子激光器（波長351－365nm,，功率100－500mw），這些激光器曾應(yīng)用在初期的SLA設(shè)備上,，激光束光斑大小為0．05－3mm,。目前光固化普遍使用固體紫外激光器，輸出波長可以穩(wěn)定為355nm,，輸出功率接近800mw且可調(diào),，壽命明顯增長，只需要更換激光二極管就可繼續(xù)使用,。

△紫外激光器

激光燒結(jié)技術(shù)采用的是二氧化碳激光器,，輸出波長為10．6μm，功率可從幾瓦到幾萬瓦,，光束質(zhì)量極高,，常被用來加工非金屬材料（對該波長具有很高的吸收率）。在激光燒結(jié)技術(shù)中,，CO2激光器的功率選擇幾十瓦即可,，光斑直徑在0．4－0．5mm左右，可用來燒結(jié)尼龍,、覆膜砂,、陶瓷以及PS粉末等非金屬材料。此外,，早期的LOM也是采用CO2激光器進行輪廓切割,。

△深圳JPT連續(xù)光纖激光器

金屬打印用激光器經(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激光器的本身輸出波長很長，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,，一臺800W YAG激光器的有效功率相當于3KW CO2激光功率。后來隨著光纖激光逐步被推向商業(yè)市場,，YAG激光的弊端便不斷顯現(xiàn)出來,，采用更加集成、電光轉(zhuǎn)換率更高,、性能更穩(wěn)定的光纖激光便成為金屬打印發(fā)展的一大趨勢,。

目前，雖仍有較少YAG激光器用于金屬打印，但絕對多數(shù)已被光纖激光占據(jù)市場,。SLM用光纖激光輸出波長通常為1．07μm,，峰值功率有200w、400w,、500w,、1000w等幾個級別，掃描光斑一般為80－150μm以內(nèi),。

△國外IPG激光在2023年新推出的YLR-U-SM系列500w-2000w單模激光器

在2023年的12月中旬,，為了進一步了解國內(nèi)激光器產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，南極熊曾對國內(nèi)激光器行業(yè)的領(lǐng)航者杰普特進行了專訪：國產(chǎn)激光器助力金屬3D打印成本突破,，南極熊專訪杰普特-南極熊3D打印網(wǎng)- 平臺 (nanjixiong.com),。杰普特負責人向南極熊表示，目前的激光器市場競爭十分激烈,。尤其對于金屬3D打印機來講,，它對激光器的要求要比切割焊接一類的要高很多：輸出的光束質(zhì)量，M2需要小于1.1,，現(xiàn)在杰普特針對3D打印行業(yè)批量出貨激光器普遍做到1.06-1.09,。市面常見的激光器長時間功率浮動大約在3%-5%；但3D打印一般都會需要長時間工作,，功率浮動要求在2%甚至1%以內(nèi),，特別是如果單臺金屬機搭載2臺或者4臺激光器，每臺都有一定的誤差的話,，打印出來的效果就會很差,，一致性要求非常高。對于激光器下一代的技術(shù)更新,，杰普特也進行了布局：（1）AOB激光器：激光輸出光斑為環(huán)形,，內(nèi)外環(huán)激光獨立可控，輸出光斑單模/多�,？烧{(diào),。相較目前主流500瓦激光器的方案，可以讓金屬3D打印的填充效率提升數(shù)倍,。（2）多臺激光器和多套振鏡使用一部控制器來控制,，實現(xiàn)1拖4或者更多，提高響應(yīng)速度和控制精度的同時也可以降低“多頭”聯(lián)調(diào)的調(diào)節(jié)難度,。

振鏡

掃描振鏡是一種用于激光加工領(lǐng)域的矢量掃描器件,，具有小慣量、高速掃描,、精準定位和閉環(huán)反饋控制等特點,。它是由光學掃描頭、電子驅(qū)動放大器和光學反射鏡片組成,，靠兩個振鏡反射激光,，形成 XY 平面的運動，主要配套振鏡控制系統(tǒng)使用,，是一種專門用于激光加工領(lǐng)域的特殊的運動器件,。它具有非常小的慣量，且在運動的過程中負載非常小,，只有兩個小的反射鏡片,，分別用不同的電機控制偏轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的響應(yīng)非�,？�,，具有高速掃描、精準定位和閉環(huán)反饋控制等特點,。

△振鏡工作原理

在3D打印場景中,，振鏡的跳轉(zhuǎn)速度和精度至關(guān)重要，特別是在創(chuàng)建輕量化結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)時,，需要頻繁的跳轉(zhuǎn)和高精度,，以確保打印表面的光潔度和精度。另外,，由于3D打印采用逐層掃描,，工件的累計加工時間相比于新能源電池焊接更長，因此對振鏡的穩(wěn)定性和發(fā)熱控制要求相對較高,。南極熊3D打印網(wǎng)是中國3D打印行業(yè)專業(yè)平臺,，觀察到隨著3D打印市場需求量的不斷增長，應(yīng)用于該行業(yè)的振鏡年復合增長率預計將超過30%,。

從2000年到現(xiàn)在,，振鏡經(jīng)歷了多次的技術(shù)迭代，應(yīng)用范圍也在不斷擴大,。最初,，國內(nèi)應(yīng)用主要集中在中低端市場，特別是打標行業(yè),。隨著中國消費電子,、半導體和光伏技術(shù)的崛起，具有更高速度和精度的高端振鏡得到了更廣泛的應(yīng)用,。

激光加工控制系統(tǒng)是激光先進制造的核心,，由運動控制軟件和卡組成，整合多領(lǐng)域技術(shù),。其中,，振鏡系統(tǒng)通過振鏡電機實現(xiàn)激光束精準偏轉(zhuǎn),，應(yīng)用于微納加工領(lǐng)域，具備高速度和精度,。相較于伺服系統(tǒng),，振鏡控制系統(tǒng)速度更高、精度更高,，適用于小幅面微納加工,。激光加工控制系統(tǒng)是激光加工設(shè)備的核心數(shù)控大腦，通過融合計算機,、激光與光學,、運動控制與自動化、視覺追蹤等多領(lǐng)域先進技術(shù),，配套激光器,、高精密振鏡等部件實現(xiàn)激光先進制造需求，屬于激光先進制造相融合的新一代信息技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè),。

振鏡控制系統(tǒng)是激光加工控制系統(tǒng)的一種,，由振鏡電機、激光反射鏡片,、控制驅(qū)動板組成,。振鏡控制系統(tǒng)將激光束入射到振鏡，并通過計算機控制振鏡的反射角度,，從而實現(xiàn)激光束的偏轉(zhuǎn),，使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標材料上按所需的要求運動，從而在材料表面上留下永久的標記,。振鏡電機是一種特殊的擺動電機,，其設(shè)計思路沿襲電流表的設(shè)計方法，振鏡電機只能進行偏轉(zhuǎn)運動,，偏轉(zhuǎn)角與電流成正比,。振鏡電機帶動可旋轉(zhuǎn)的低慣性鏡片進行激光束的定位，并采用位置傳感器和負反饋回路設(shè)計,，充分保證振鏡系統(tǒng)具備高水平的掃描速度和重復定位精度,。相比于伺服控制系統(tǒng)，振鏡控制系統(tǒng)在速度方面最高運動速度可達到3,600米/分鐘以上,，而伺服控制系統(tǒng)的最高運動速度通常不超過120米/分鐘,。在精度方面，振鏡控制系統(tǒng)的精度要求在0.5um-10um之間,，而伺服控制系統(tǒng)的精度要求略低,，一般在50um左右。振鏡控制系統(tǒng)具有高精度,、高速度的特點,，主要應(yīng)用于幅面較小的微納加工領(lǐng)域,。而伺服控制系統(tǒng)適配大面積宏加工，被廣泛用于大幅面的切割,、焊接,，包括鈑金加工、汽車制造,、航空航天等領(lǐng)域。

振鏡的掃描速度也是影響打印效率的核心因素之一,。振鏡模組的掃描效率越快,，便可有效減少激光掃描的調(diào)整時間，生產(chǎn)效率也就越高,。另外,，加工的最大幅面和成型尺寸越大，可以適配更多尺寸的零部件,，同時單板也可以批量化生產(chǎn)更多的零件,，使得單個零件的產(chǎn)出效率提升成本降低。此外,，還有激光器的最大功率,、加工層厚等性能參數(shù)也在進步，包括工藝規(guī)劃軟件對于剖分效率,、打印效率以及使用便捷性的提升,，都在助力金屬 3D 打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

我國3D打印裝備核心元器件的發(fā)展現(xiàn)狀

我國工業(yè)級增材制造裝備核心器件嚴重依賴進口的問題依然較為突出,。增材制造裝備核心器件,，如高光束質(zhì)量激光器及光束整形系統(tǒng)、高速掃描系統(tǒng),、大功率激光掃描振鏡,、動態(tài)聚焦鏡等精密光學器件以及部分電氣元器件等存在對進口產(chǎn)品的依賴，進口核心元器件主要為激光器,、掃描振鏡,、運動控制系統(tǒng)電氣元器件。相當一部分公司設(shè)備的部分核心器件對國外品牌存在一定的依賴性,。

3D 打印設(shè)備所需核心元器件包括振鏡,、激光器。在華曙高科2022年發(fā)布的招股說明書中表示,，

其激光器主要從美國,、德國進口，采購的進口激光器占激光器采購總額比例分別為 82.88%,、 88.01%,、86.08%和 69.90%,，振鏡主要從德國進口，公司采購的進口振鏡占振鏡采購總額的比例分別為100.00%,、98.02%,、100.00%和 99.13%，報告期后,，對進口振鏡的采購比例有所下降,，但采購進口核心元器件的占比仍然較高，存在進口依賴風險,。公司核心元器件激光器,、振鏡對進口依賴的程度較高，進口振鏡,、進口激光器在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用歷史較久,，性能成熟穩(wěn)定，知名度相對更高,，而國產(chǎn)振鏡,、激光器的技術(shù)成熟度相比進口振鏡、激光器還存在一定的差距,。公司已逐步在部分中小機型設(shè)備中使用國產(chǎn)激光器,、振鏡，但其長期穩(wěn)定性相比進口零部件存在不足,，公司在短期內(nèi)無法完成有效的全面國產(chǎn)替代,。

△華曙高科招股說明書中，振鏡和激光器的采購金額比較高

△2019-2022H1 華曙高科 3D 打印設(shè)備業(yè)務(wù)情況,。資料來源：華曙高科招股說明書

目前,，中國在振鏡控制系統(tǒng)的市場規(guī)模目前約20億元，高端市場占15億元,，預計2025年有望達到25億元,。2021年振鏡控制系統(tǒng)銷量增長35%，銷售規(guī)模達3.86億元,。據(jù)《2021年中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》,，2020年低功率精密加工控制系統(tǒng)的銷售數(shù)量為23.85萬套，受益于激光加工設(shè)備需求的持續(xù)高增,，2021年振鏡控制系統(tǒng)銷量增長35%,；按照振鏡1,200元/套的均價計算，2021年振鏡銷售規(guī)模達3.86億元,。

據(jù)維科網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究中心統(tǒng)計,，2014-2022年，我國振鏡生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量由 10 家以內(nèi)增長至超過 20 家,。振鏡控制系統(tǒng)中低端市場已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化,，而高端應(yīng)用仍然由國外企業(yè)主導,，在高精度標刻、劃線,、鉆孔領(lǐng)域存在差距,。國產(chǎn)高功率激光控制系統(tǒng)市場規(guī)模同比增加85.7%，高于中低端激光控制器增速,。近年來國內(nèi)供應(yīng)商快速發(fā)展,，振鏡控制系統(tǒng)中低端市場已經(jīng)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。而在高端應(yīng)用領(lǐng)域,，目前主要由美國CTI,、德國Scanlab和Raylase等國外企業(yè)占據(jù)。在高精度標刻,、劃線、鉆孔領(lǐng)域,，國產(chǎn)振鏡與國外廠商仍有較大差距,。

振鏡控制系統(tǒng)位于產(chǎn)業(yè)鏈中游，應(yīng)用涵蓋消費電子,、汽車制造,、機械制造、鋰電池等領(lǐng)域,。政策支持和激光技術(shù)發(fā)展驅(qū)動市場增長,，光伏、新能源和3D打印領(lǐng)域為振鏡應(yīng)用提供了新機遇,，市場前景廣闊,。振鏡控制系統(tǒng)是產(chǎn)業(yè)鏈中游的關(guān)鍵器件，與激光器,、機械系統(tǒng)等相互配合,。振鏡控制系統(tǒng)的上游則包括光源材料、光學元器件以及電容電阻等其他材料,。從直接上游來看,，激光控制系統(tǒng)供應(yīng)商需要對接芯片廠商、PCB廠商以及相關(guān)線材供應(yīng)商,，從目前國產(chǎn)替代情況來看,，部分芯片可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，但部分仍倚重德州儀器等國際供應(yīng)商,。PCB及線材基本國產(chǎn)化,，且供應(yīng)充足，價格透明,。振鏡控制系統(tǒng)的下游是激光切割,、焊接,、打標、清洗,、3D打印等激光設(shè)備,，其中激光切割設(shè)備、激光焊接設(shè)備,、激光打標設(shè)備產(chǎn)量占比分別為38%,、28%、15%,，合計超過80%,。從下游應(yīng)用情況來看，振鏡控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于消費電子,、汽車制造,、機械制造、鋰電池制作,、航空航天,、軌道交通、醫(yī)療等領(lǐng)域,。

盡管我國的激光器/振鏡產(chǎn)品在國際市場上尚未形成有效的競爭態(tài)勢,，但國內(nèi)已經(jīng)有許多制造商在振鏡控制系統(tǒng)領(lǐng)域做出了突破，其中的典型代表有：

金橙子：國內(nèi)振鏡控制系統(tǒng)領(lǐng)軍企業(yè),，股權(quán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,，創(chuàng)始人均具有深厚的技術(shù)背景，按2020年振鏡控制系統(tǒng)出貨量計算,，金橙子公司市占率為32%,，大族思特市占率為9%，而海外公司合計市占率僅為9%,。公司業(yè)務(wù)涵蓋激光加工控制系統(tǒng),、激光系統(tǒng)集成硬件、激光精密加工設(shè)備,，其中激光加工控制系統(tǒng)收入占比約七成,，高精密振鏡產(chǎn)品以及激光同服控制系統(tǒng)產(chǎn)品目前正處于市場推廣階段；
大族思特：國內(nèi)首家研發(fā)成功數(shù)字驅(qū)動板的振鏡企業(yè),，是一家擁有資深振鏡專家研發(fā)團隊的振鏡企業(yè),，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)核心部件全國產(chǎn)化、關(guān)鍵技術(shù)自主研發(fā),。大族思特堅持研發(fā)導向,，服務(wù)市場的理念，走中高端產(chǎn)品的道路，已經(jīng)有能力走出國門,，在中高端市場和國外同行同臺競爭,。大族思特產(chǎn)品在很多高端應(yīng)用場景已經(jīng)成功替代進口產(chǎn)品，如精密打標,、焊接,、切割、3D打印,、顯視面板,、極耳切割、PCB加工,、太陽能光伏,、醫(yī)療美容和檢測等行業(yè)；
金海創(chuàng)：成立于2001年,，是專業(yè)從事光學掃描振鏡及其控制系統(tǒng)的研發(fā),、生產(chǎn)和銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于激光標刻,、醫(yī)療美容,、激光3D打印、激光清洗,、激光焊接,、激光切割等多個領(lǐng)域,，是振鏡行業(yè)的重要參與者之一,，其產(chǎn)品包括系列化的光電數(shù)字振鏡系統(tǒng)和其他相關(guān)技術(shù)解決方案；
柏楚電子：國內(nèi)激光切割運控軟件龍頭,，在中低功率激光切割軟件市占率第一,，高功率市占率快速提升;同時拓展智能激光切割頭及鋼構(gòu)智能焊接系統(tǒng)，打開中長期成長空間,；
銳科激光：國內(nèi)工業(yè)激光器龍頭,，主業(yè)保持較強市場競爭力，行業(yè)價格競爭趨緩,、公司積極降本,，盈利能力觸底反彈，同時,，積極布局高端制造,、海外出口、特種市場等,，鞏固行業(yè)龍頭地位,；
長光華芯：國內(nèi)激光芯片頭部企業(yè)，公司持賣加大高功率半導體激光芯片國產(chǎn)替代進程，同時在激光雷達,、光通信芯等場景產(chǎn)品研發(fā)驗證中,；
維宏股份：國內(nèi)控制系統(tǒng)知名公司，近年毛利率始終保持在較高水平,，公司目前在重點發(fā)展激光切割市場,；

△大族思特

3D 打印核心元器件未來國產(chǎn)化發(fā)展趨勢

2020年科技部、國家發(fā)改委等五部門發(fā)布政策,，長期支持關(guān)鍵核心技術(shù)的研究,，其中就包括3D打印和激光制造等領(lǐng)域。南極熊認為,，隨著激光加工設(shè)備市場規(guī)模持續(xù)增長,，隨著激光設(shè)備在先進領(lǐng)域的應(yīng)用增加，未來振鏡市場規(guī)模有望繼續(xù)擴大,，這主要出于以下幾點原因：

政策加碼：2020年科技部,、國家發(fā)改委等五部門發(fā)布《加強“從0到1”基礎(chǔ)研究工作方案》，對關(guān)鍵核心技術(shù)中的重大科學問題給予長期支持,。重點支持3D打印和激光制造,、重點基礎(chǔ)材料、先進電子材料,、制造技術(shù)與關(guān)鍵部件,、高端醫(yī)療器械、重大科學儀器設(shè)備等重大領(lǐng)域,，推動關(guān)鍵核心技術(shù)突破,。
激光工藝拉動需求增長：受下游行業(yè)需求驅(qū)動，激光加工控制系統(tǒng)發(fā)展空間廣闊,。據(jù)《2021年中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》,，激光工藝持續(xù)發(fā)展帶動激光加工滲透率持續(xù)提升，2012-2021年,，我國激光加工設(shè)備市場規(guī)模 CAGR 達19.2%,，其中，2021年市場規(guī)模達821億元,，同比提升18.5%,。
先進領(lǐng)域帶動市場規(guī)模提升：從目前激光設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域來看，激光切割仍是核心應(yīng)用領(lǐng)域,，占據(jù)整體規(guī)模的四成以上,，焊接、打標,、半導體的應(yīng)用則位于第二梯隊,，分別占約13%，13%，12%,。未來隨著激光設(shè)備廣泛應(yīng)用于復雜加工領(lǐng)域,，切割占比將會略有下降，3D打印等先進領(lǐng)域?qū)⒂兴黾�,，從而帶動振鏡市場規(guī)模的提升,。

總的來說，3D打印激光器等核心部件的自主研發(fā)和國產(chǎn)化替代是未來我國需要長期投入并堅持的領(lǐng)域,。核心部件的技術(shù)突破將推動我國3D打印技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,，確保技術(shù)的安全性和可控性，減少對外部供應(yīng)鏈可能帶來的潛在風險,，提高技術(shù)自主性,，提高國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的競爭力，同時為國內(nèi)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ),。

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