激光與增材制造技術(shù)應(yīng)用研究

文/盧冰文 林興浩 王彬 王龍

隨著科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，激光與增材制造技術(shù)從遙不可及的高科技逐步滲透到人類社會(huì)的方方面面，小到組織細(xì)胞去除，大到航空裝備制造，廣泛應(yīng)用到電子信息、汽車、生物醫(yī)療、高端裝備制造、新能源等產(chǎn)業(yè)，為各個(gè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)力。

激光與增材制造技術(shù)是新一代電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的重要推動(dòng)力

電子信息產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今最活躍、最有生命力的先導(dǎo)性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，已成為支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)力量之一。激光與增材制造技術(shù)已滲入到電子信息產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，突出體現(xiàn)在激光通信、激光顯示、激光加工、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。其中，激光通信技術(shù)以其速率高、容量大、抗干擾能力強(qiáng)及設(shè)備體積小等優(yōu)勢(shì)，有望超過其他無(wú)線通信技術(shù)成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主流通信方式。星間和星地激光鏈路是激光通信主要應(yīng)用場(chǎng)景，據(jù)測(cè)算，2027年中國(guó)星鏈激光通信載荷市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)約800億元。激光顯示技術(shù)是繼黑白顯示、彩色顯示、數(shù)字顯示之后的第四代顯示技術(shù)，具有色域空間大、色彩表現(xiàn)力強(qiáng)、超大屏幕、節(jié)能護(hù)眼、成本競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，到2024年，我國(guó)激光電視出貨量有望突破100萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)到2026年全球激光顯示產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)5000億美元。激光打標(biāo)、切割、焊接及微加工等激光加工技術(shù)憑借其高效率、高精度、熱影響區(qū)小、綠色清潔、非接觸等優(yōu)勢(shì)，已成為PCB（印制電路板）、OLED 顯示屏、手機(jī)殼等3C 電子產(chǎn)品制造關(guān)鍵技術(shù)，智能手機(jī)70%的制造環(huán)節(jié)可由激光加工技術(shù)完成，激光加工技術(shù)在3C 電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域?qū)碛袕V闊應(yīng)用前景。激光雷達(dá)已逐漸成為高級(jí)輔助駕駛、智能駕駛的必備產(chǎn)品之一，隨著全球汽車向智能化、自動(dòng)化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化飛速發(fā)展，激光雷達(dá)市場(chǎng)增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，預(yù)計(jì)2026年汽車與工業(yè)應(yīng)用激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)57億美元。

激光與增材制造技術(shù)是生物醫(yī)療產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)個(gè)性化診療的利器

全球生物醫(yī)療產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)數(shù)萬(wàn)億美元，且呈現(xiàn)高速穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，逐漸成為世界經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。先進(jìn)的激光與增材制造技術(shù)在臨床治療、診斷、藥物生產(chǎn)、醫(yī)療器械生產(chǎn)等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，成為推動(dòng)生物醫(yī)療與健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要利器。其中，激光技術(shù)已是醫(yī)療和診斷領(lǐng)域中不可替代的一類技術(shù)手段，光學(xué)相干層析成像、光聲成像、多光子顯微成像、拉曼成像是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷的重要技術(shù)，強(qiáng)激光治療、光動(dòng)力治療及弱激光治療也已廣泛應(yīng)用于眼科、外科、內(nèi)科、婦科、耳鼻喉科、心血管科、皮膚科等科室300多種疾病的治療，發(fā)達(dá)國(guó)家外科手術(shù)平均有10%～15%使用了激光手術(shù)器械以取代傳統(tǒng)的手術(shù)刀或其他手術(shù)器械。激光技術(shù)以其精準(zhǔn)性、微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)性引領(lǐng)醫(yī)學(xué)治療模式的轉(zhuǎn)變，預(yù)計(jì)到2027年全球激光醫(yī)療市場(chǎng)將達(dá)到105.7億美元。增材制造技術(shù)逐漸成為生物醫(yī)療器械、藥品甚至生物組織等生產(chǎn)制備的新途徑。由于人體的個(gè)體差異，醫(yī)療器械對(duì)個(gè)性化定制的要求很高，增材制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的絕佳途徑，已成功用于個(gè)性化制造醫(yī)療模型、手術(shù)導(dǎo)板、外科/口腔植入物、康復(fù)器械、人體組織、藥物等。2020年增材制造在牙科市場(chǎng)的價(jià)值達(dá)到了18億美元，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)65億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為28.8%。2023年全球骨植入市場(chǎng)將突破747.96億美元，中國(guó)現(xiàn)有肢體功能受限者超1500萬(wàn)人，可以預(yù)期增材制造骨科植入體具有良好的市場(chǎng)前景。另外，生物3D 打印技術(shù)在人體組織、血管等器官及藥物產(chǎn)品制造方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)成熟后將會(huì)爆發(fā)出巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。

激光與增材制造技術(shù)是高端裝備制造業(yè)的“萬(wàn)能加工工具”

高端裝備制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)壁壘高、帶動(dòng)能力強(qiáng)，成為世界各國(guó)的必爭(zhēng)之地。高端裝備主要包括航空航天裝備、海洋工程裝備、軌道交通裝備等重點(diǎn)領(lǐng)域。激光與增材制造技術(shù)憑借其易操作、非接觸、高柔性、高效高質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高端裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零部件的制造。在航空航天領(lǐng)域，激光與增材制造技術(shù)是推動(dòng)航空和航天飛行器向輕量化、長(zhǎng)壽命、短周期、低成本等方向發(fā)展的關(guān)鍵制造與再制造技術(shù)。高效率激光打孔技術(shù)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件氣膜孔制造“利器”，1臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜孔數(shù)量超10萬(wàn)個(gè)，激光熔覆、冷噴涂等成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其他關(guān)鍵部件修復(fù)和再制造的核心技術(shù)，延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命50%以上；增材制造已成為航空航天關(guān)鍵零部件（燃油噴嘴、推進(jìn)器、主承力鈦合金加強(qiáng)框等）乃至整機(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、微／納衛(wèi)星等）的重要制造技術(shù)。海工裝備方面，激光與增材制造技術(shù)成為海工裝備加工制造和維修的重要技術(shù)，激光切割和焊接應(yīng)用于海工大厚板的切割與板材間的焊接；增材制造技術(shù)成為海工復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一體化制備的有效手段，激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于海工關(guān)鍵部件的表面防護(hù)與再制造，激光清洗技術(shù)可有效清除海工裝備表面的氧化物、漆層等。軌道交通方面，激光與增材制造技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通行業(yè)最重要的制造技術(shù)之一，助力軌道交通裝備輕量化，大量應(yīng)用于列車板材及型材切割、關(guān)鍵部件焊接、齒輪等關(guān)鍵部件修復(fù)、列車軌道強(qiáng)化和修復(fù)、自動(dòng)生產(chǎn)線物料運(yùn)輸和標(biāo)識(shí)移植等場(chǎng)所。

激光與增材制造是汽車產(chǎn)業(yè)不可或缺的關(guān)鍵制造技術(shù)

汽車產(chǎn)業(yè)是拉動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的支柱性產(chǎn)業(yè),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位，我國(guó)汽車銷售量已連續(xù)13年位居全球第一。激光與增材制造技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到車身、零部件、動(dòng)力總成、內(nèi)外飾等汽車制造眾多環(huán)節(jié)，目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家50%～70%的汽車零部件制造工序采用激光加工來(lái)完成，可以預(yù)期未來(lái)激光加工技術(shù)在汽車制造市場(chǎng)發(fā)展空間巨大。其中，激光焊接技術(shù)在汽車制造中應(yīng)用最為廣泛，除了可以滿足白車身、車門、車架等主線零部件的焊裝生產(chǎn)，還可以滿足燃料電池、變速器齒輪、氣門頂桿、車門鉸鏈等離線零部件的焊裝制造。目前我國(guó)汽車制造設(shè)備市場(chǎng)空間預(yù)計(jì)在1500億元以上，其中汽車焊裝自動(dòng)化設(shè)備約占整體設(shè)備投資的25%左右，市場(chǎng)空間約400億元。激光切割可針對(duì)鋁材、鋁合金、碳鋼、不銹鋼等難加工材料進(jìn)行切割，大規(guī)模應(yīng)用于汽車零部件、汽車車身、汽車車門框、汽車后備箱、汽車車頂蓋等零部件的平面切割和三維切割。另外，激光表面處理技術(shù)、激光打標(biāo)、激光清洗等激光加工技術(shù)也廣泛應(yīng)用于汽車制造與再制造，如激光打標(biāo)應(yīng)用于汽車零部件的標(biāo)記、激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于汽車剎車盤的表面防護(hù)、激光清洗應(yīng)用于汽車的維修清洗。新興的增材制造技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用也取得了顯著進(jìn)展，除了應(yīng)用于汽車前端的設(shè)計(jì)，已經(jīng)局部實(shí)現(xiàn)了汽車零部件量產(chǎn)，為汽車輕量化的設(shè)計(jì)以及制造提供了新途徑，逐漸成為國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)之一。如寶馬公司增材制造換檔撥桿已量產(chǎn)30萬(wàn)件；米其林公司已量產(chǎn)增材制造輪胎模具；汽車零部件供應(yīng)商馬勒公司增材制造的活塞比傳統(tǒng)鑄造活塞減重約20%，已在保時(shí)捷賽車上成功應(yīng)用；大眾汽車公司在德國(guó)沃爾夫斯堡的總部使用“黏合劑噴射”新型增材制造工藝，使制造的汽車部件比傳統(tǒng)用鋼板制造的部件輕50%，預(yù)計(jì)年產(chǎn)10萬(wàn)個(gè)金屬3D打印零件。

激光與增材制造技術(shù)是新能源產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的助推器

新能源是未來(lái)世界的主體能源，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展好壞將直接影響我國(guó)在世界經(jīng)濟(jì)中的地位，特別是我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，新能源產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新機(jī)遇。近幾年，激光與增材制造技術(shù)逐漸成為推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，已成功規(guī)?；瘧?yīng)用于新能源鋰離子電池、光伏、風(fēng)電、核電等領(lǐng)域。其中，鋰離子電池領(lǐng)域，激光加工技術(shù)被鋰離子電池模組生產(chǎn)的電芯段和模組段大量采用，電芯段主要應(yīng)用在極耳焊接、封口焊接等環(huán)節(jié)；模組段主要用在電芯與電芯之間的連接。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1GWh 鋰電池設(shè)備投資成本為4億元～10億元，其中激光加工設(shè)備投入達(dá)到6000萬(wàn)元～7000萬(wàn)元，隨著新能源汽車的銷量增長(zhǎng)，激光加工技術(shù)在鋰離子電池應(yīng)用市場(chǎng)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。光伏領(lǐng)域，激光加工技術(shù)憑借其精確的表面微結(jié)構(gòu)加工和快速切割能力，成為提升光伏產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率的重要手段，大量應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)的薄膜電池劃線、PERC 電池開槽、晶硅電池開膜、晶圓切割等。目前激光加工設(shè)備在光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的年產(chǎn)值超10億元，光伏發(fā)電市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，2030年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量有望達(dá)到1721GW，未來(lái)，激光技術(shù)在光伏行業(yè)的應(yīng)用潛力巨大。風(fēng)電領(lǐng)域，激光熔覆、激光沖擊強(qiáng)化等激光技術(shù)用于風(fēng)電關(guān)鍵部件的表面防護(hù)和服役性能提升，為風(fēng)電裝備在苛刻工況下安全可靠運(yùn)行提供保障。核電領(lǐng)域，增材制造技術(shù)被逐漸應(yīng)用于燃料組件、燃料通道緊固件等復(fù)雜結(jié)構(gòu)核電關(guān)鍵部件的一體化制造，增材制造技術(shù)成為新一代核電裝備制造的有效途徑。

激光與增材制造技術(shù)是其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的“全能手”

國(guó)防領(lǐng)域，激光技術(shù)可應(yīng)用于測(cè)距、成像、制導(dǎo)、通信及對(duì)抗等，成為改變現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式的關(guān)鍵技術(shù)之一?？蒲蓄I(lǐng)域，激光與增材制造技術(shù)成為全球科研機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)方向?；ゎI(lǐng)域，增材制造微通道反應(yīng)裝備成為化工產(chǎn)業(yè)綠色安全轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵點(diǎn)。五金衛(wèi)浴領(lǐng)域，激光加工替代傳統(tǒng)加工技術(shù)空間廣闊。鋼鐵領(lǐng)域，激光熔覆成為鋼鐵軸類部件修復(fù)和再制造的重要技術(shù)。珠寶領(lǐng)域，激光與增材制造技術(shù)點(diǎn)亮珠寶產(chǎn)品加工新未來(lái)。儀器儀表領(lǐng)域，激光技術(shù)在分析儀器、檢驗(yàn)工具、計(jì)量工具、水平儀和傳感器等方向應(yīng)用空間廣闊。文娛領(lǐng)域，激光技術(shù)在燈光表演、游戲、數(shù)字影院、打印機(jī)等方向存在巨大的市場(chǎng)潛力。

展望未來(lái)，隨著激光與增材制造技術(shù)日益成熟以及新型激光器和裝備系統(tǒng)的持續(xù)涌現(xiàn)，其應(yīng)用前景更加廣闊，將成為推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的新引擎。