金屬3D打印打開光纖激光應(yīng)用新大門

金屬3D打印打開光纖激光應(yīng)用新大門！

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(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?，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(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。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(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)展行動計劃（2017—2020年）》、《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)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(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(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(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(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(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。