金属3D打印打开光纤激光应用新大门

金属3D打印打开光纤激光应用新大门！

熬过了黑暗，总会有曙光出现，这或许是国内激光行业对于2023年最大的期待。在经过10多年一路狂飙之后，国内激光产业突然遭遇瓶颈。材料加工作为激光应用最主要的领域，近年来市场需求一直萎靡不振，加之价格竞争愈发激烈，激光企业利润空间不断被压缩。站在新的时间节点上，国内激光产业亟需找到新的蓝海市场。

国家重点支持，下一个千亿市场涌现

相对于激光切割等减材制造技术，以3D打印为代表的增材技术虽然一直很火，但总是显得非常“小众”，特别是在工业应用领域。从发展历程来看，3D打印技术于19世纪末起源于美国，在20世纪80年代后期发展成熟并被广泛应用，其中金属材料3D打印技术发展尤为迅速。

金属3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向，在航空航天、汽车、消费品、医疗、一般工业等领域逐步开始获得规模化应用。过去30年，我国金属3D打印技术特别是装备技术取得了突飞猛进的发展。

金属3D打印兴起于欧美国家，我国自20世纪90年代中期开展金属3D打印技术研究，研究的重点以能量沉积法（DED）和粉末床熔融法（PBF）为主，其中西北工业大学、北京航天大学、华中科技大学、华南理工大学、清华大学等都进行了大量研究。1997年，西北工业大学进行了“金属粉材激光立体成形的熔凝组织与性能研究”，是我国第一个正式立项科研项目。2012年，北京航空航天大学DED－L方面的研究成果获国家技术发明一等奖。2017年我国金属3D打印领域的第一个材料标准（GB／T 34508－2017）制定……

（2021－2023年每年金属增材制造产品打印数量）

根据知名增材制造行业市场数据和咨询服务提供商SmarTech最新报告，预计到2031年，金属3D打印技术每年将生产超过750亿美元的组件。由于金属增材制造对供应链短缺强大的弥补作用，强调采用该技术并加大投资的趋势不会改变，市场整体将继续快速发展。

近日，科技部“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项立项通过公示，将重点围绕难熔金属材料增材制造、超快激光制造等技术方向，在基础理论和前沿技术、核心功能部件、关键技术与装备、典型应用示范全链条重点部署，推动我国增材制造技术总体达到世界一流，基本实现全球领先总体目标。

除此之外，《“十四五”智能制造发展规划》、《增材制造产业发展行动计划（2017—2020年）》、《国家增材制造产业发展推进计划（2015—2016年）》、《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》等多项国家规划中都明确支持增材制造产业发展。随着关键技术的不断突破，加之产业链配套不断完善，以金属3D打印为代表的增材制造将成为智能制造领域下一个重要方向。

光纤激光器成金属3D打印理想热源

增材制造技术通过CAD 设计软件制作出3D模型，并转换为增材制造标准化格式的STL文件，系统在计算机上将该零件在某一易于加工的方向上分割成多层，最后依靠专门的打印设备，使用金属粉末、树脂、陶瓷粉末等各种材料，逐层不断累积叠加、堆积、粘结，最终形成零件整体。在整个过程中，热源选择对于加工效果至关重要。

经过多年发展，激光束已经成为金属3D打印最主流的热源。相对于电子束、微束等离子，激光束具有光斑细、成本低、可定向作用到指定材料位置等优点，可实现金属材料的瞬间熔凝，满足熔道搭接和零件成形的要求。

金属3D打印用激光器经历了几个发展阶段，主要有CO2激光器、YAG激光器以及光纤激光器。CO2激光器本身输出波长很长，金属材料的吸收率较低，因此早期金属打印用的CO2激光器功率动辄几千瓦。YAG激光器能够输出1．06μm的波长，与金属的偶合效率高、加工性能良好，有效功率远高于CO2激光器。随着光纤激光器开始大规模商用，成本进一步降低，凭借其易于集成、电光转换率更高、性能更稳定等优势，已经成为金属3D打印最主流的热源。

金属3D打印过程主要依靠激光热效应，逐层对金属粉末熔化成型，通过一层一层叠加累积最终完成零件加工。在加工过程中，零部件打印层数通常比较多，打印时间很长，对激光器功率稳定性要求非常高。另外，激光器光束质量和光斑大小对打印精度也至关重要。因此，在产业发展早期，金属3D打印激光器主要依赖国外进口。

近些年，随着国产光纤激光器产品功率水平及可靠性大幅度提升，已经能够满足金属3D打印应用需求。以常见的选择性激光熔融成形（SLM）为例，对光纤激光器平均功率大致要求200W－1000W之间。作为国内光纤激光器头部厂商，杰普特在连续光纤激光器方面已经完整覆盖200W－40000W区间，能够为金属3D打印光源提供多样性选择。