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金属3D打印打开光纤激光应用新大门,国产核心器件逐步成熟

国际金属加工网 2023年04月23日

导读:国产光纤激光器,也开始逐渐应用到金属3D打印领域了。

△杰普特激光3D打印应用

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.....

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△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。

在产品方面,杰普特连续光纤激光器可通过控制接口及标配软件可对激光器的运行状态进行实时监控及报警提示,并可对运行数据进行收集记录。激光器采用水冷散热及上架式机箱设计,具有电光转换效率高、能耗较低、结构紧湊、免调节维护、光纤柔性传导输出、便于客户集成使用等众多优点,为金属3D打印提供了理想光源选择。

为了能够实现更好的3D打印效果,适应市场需求,杰普特针对3D打印行业特别推出了高配版500W/1000W激光器,并进行了性能上的优化,使之能够更好的投入到3D打印应用中,并且可根据客户工艺需求进行定制。

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△杰普特500W/1000W激光器

杰普特高配版激光器提高了状态信号负载的驱动能力,可驱动更高电流的继电器,提高模拟量的响应速度,使得出光延时得到很大程度的压缩;提升光束质量,确保M2≤1.1;提升功率稳定性,长时间功率稳定性可达到1%以内;添加网口功能,使得激光器的通信控制更加便捷;扩大调制频率的可调范围至50KHz,对于不同的应用场景适应性更强。

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△杰普特高配版光纤激光器客户现场应用

从应用领域来看,金属3D打印最开始主要用于航空航天领域。随着其他应用领域的进一步普及,国产光纤激光器也将获得更多的应用空间,从而推动产业持续向前发展。

金属3D打印逐步开启国产化进程

近几年虽然遭受疫情影响,全球金属3D打印仍保持着高速增长的趋势。SmarTech Analysis 数据显示,2019年全球金属增材制造市场规模为33亿美元,到2024年市场规模将扩张至110 亿美元,2019-2024年CAGR高达 27.2%。

从产业链分布来看,上游金属材料价值更高,生产壁垒也更高。金属材料通常为金属粉末,主要包括钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝合金和其他高温合金,主要应用在航空航天、军工、汽车等领域,对材料特性要求非常高。目前,国内高端金属粉末可供应的厂家相对较少,主要还是依赖进口。相反在设备方面,国产厂商正在加速实现替代。

金属3D打印设备主要包括激光器、振镜、主板、DLP 光引擎、扫描仪等部件。从价值量占比来看,激光器一般占整体设备成本20%以上, 并且随着设备升级,激光器在同一台3D打印机中安装的数量、品质也将提升,其价值占比将会更高。从目前国产金属3D打印设备厂商产品来看,基于稳定性和品质方面考虑,激光器普遍采用进口品牌,国产替代空间较大。

从产品输出功率来看,国产光纤激光器产品已经实现对国外产品的赶超,基本上处于同一梯队,并且在薄板切割应用领域实现了对国外产品大部分替代。近些年,随着国内激光产业迈入全新阶段,国产厂商对于产品品质愈发关注,并持续加大研发投入,在高端应用领域也逐步开启国产替代。

正如杰普特多年的发展一样,不管市场如何变化,凭借产品稳定性强的特性,在高端制造领域走出了一条自己的道路,从MOPA光纤激光器对国外品牌的反超,到打入全球头部手机厂商供应链,再到成为动力电池头部厂商供应商,这也都时对其产品品质的很好说明。随着国内金属3D打印产业进一步发展,杰普特也将在这一蓝海市场加速推进国产化替代。

当前,我国正处于产业转型升级的关键时期,新技术、新产业、新模式的涌现驱动制造业持续发展。近年来,3D打印在航空航天、汽车制造,生物医疗及其他领域逐步成为复杂结构件研制与生产的核心技术。面对愈发内卷的挑战,金属3D打印有望成为国内光纤激光器又一个潜力市场!

(南极熊3D打印 )

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