激光与增材制造技术应用研究

文/卢冰文 林兴浩 王彬 王龙

随着科技发展和社会进步，激光与增材制造技术从遥不可及的高科技逐步渗透到人类社会的方方面面，小到组织细胞去除，大到航空装备制造，广泛应用到电子信息、汽车、生物医疗、高端装备制造、新能源等产业，为各个产业高质量发展注入新动力。

激光与增材制造技术是新一代电子信息产业飞速发展的重要推动力

电子信息产业是当今最活跃、最有生命力的先导性高新技术产业，已成为支撑我国经济发展的主导力量之一。激光与增材制造技术已渗入到电子信息产业的各个环节，突出体现在激光通信、激光显示、激光加工、激光雷达等领域。其中，激光通信技术以其速率高、容量大、抗干扰能力强及设备体积小等优势，有望超过其他无线通信技术成为卫星互联网的主流通信方式。星间和星地激光链路是激光通信主要应用场景，据测算，2027年中国星链激光通信载荷市场规模将达约800亿元。激光显示技术是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的第四代显示技术，具有色域空间大、色彩表现力强、超大屏幕、节能护眼、成本竞争力强等优点，到2024年，我国激光电视出货量有望突破100万台，预计到2026年全球激光显示产业规模将达5000亿美元。激光打标、切割、焊接及微加工等激光加工技术凭借其高效率、高精度、热影响区小、绿色清洁、非接触等优势，已成为PCB（印制电路板）、OLED 显示屏、手机壳等3C 电子产品制造关键技术，智能手机70%的制造环节可由激光加工技术完成，激光加工技术在3C 电子产品制造领域将拥有广阔应用前景。激光雷达已逐渐成为高级辅助驾驶、智能驾驶的必备产品之一，随着全球汽车向智能化、自动化、电动化、网联化飞速发展，激光雷达市场增长势头迅猛，预计2026年汽车与工业应用激光雷达市场规模达57亿美元。

激光与增材制造技术是生物医疗产业精准个性化诊疗的利器

全球生物医疗产业规模达数万亿美元，且呈现高速稳定增长趋势，逐渐成为世界经济的主导产业之一。先进的激光与增材制造技术在临床治疗、诊断、药物生产、医疗器械生产等方面发挥关键作用，成为推动生物医疗与健康产业发展的重要利器。其中，激光技术已是医疗和诊断领域中不可替代的一类技术手段，光学相干层析成像、光声成像、多光子显微成像、拉曼成像是现代医学诊断的重要技术，强激光治疗、光动力治疗及弱激光治疗也已广泛应用于眼科、外科、内科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、皮肤科等科室300多种疾病的治疗，发达国家外科手术平均有10%～15%使用了激光手术器械以取代传统的手术刀或其他手术器械。激光技术以其精准性、微创或无创性引领医学治疗模式的转变，预计到2027年全球激光医疗市场将达到105.7亿美元。增材制造技术逐渐成为生物医疗器械、药品甚至生物组织等生产制备的新途径。由于人体的个体差异，医疗器械对个性化定制的要求很高，增材制造技术是实现个性化的绝佳途径，已成功用于个性化制造医疗模型、手术导板、外科/口腔植入物、康复器械、人体组织、药物等。2020年增材制造在牙科市场的价值达到了18亿美元，预计到2025年将达65亿美元，年复合增长率为28.8%。2023年全球骨植入市场将突破747.96亿美元，中国现有肢体功能受限者超1500万人，可以预期增材制造骨科植入体具有良好的市场前景。另外，生物3D 打印技术在人体组织、血管等器官及药物产品制造方面具有独特优势，在技术成熟后将会爆发出巨大的应用市场。

激光与增材制造技术是高端装备制造业的“万能加工工具”

高端装备制造产业技术壁垒高、带动能力强，成为世界各国的必争之地。高端装备主要包括航空航天装备、海洋工程装备、轨道交通装备等重点领域。激光与增材制造技术凭借其易操作、非接触、高柔性、高效高质量、节能环保等优点，广泛应用于高端装备复杂结构关键零部件的制造。在航空航天领域，激光与增材制造技术是推动航空和航天飞行器向轻量化、长寿命、短周期、低成本等方向发展的关键制造与再制造技术。高效率激光打孔技术成为航空发动机热端部件气膜孔制造“利器”，1台航空发动机气膜孔数量超10万个，激光熔覆、冷喷涂等成为航空发动机及其他关键部件修复和再制造的核心技术，延长航空发动机寿命50%以上；增材制造已成为航空航天关键零部件（燃油喷嘴、推进器、主承力钛合金加强框等）乃至整机（航空发动机、无人机、微／纳卫星等）的重要制造技术。海工装备方面，激光与增材制造技术成为海工装备加工制造和维修的重要技术，激光切割和焊接应用于海工大厚板的切割与板材间的焊接；增材制造技术成为海工复杂结构件一体化制备的有效手段，激光熔覆技术应用于海工关键部件的表面防护与再制造，激光清洗技术可有效清除海工装备表面的氧化物、漆层等。轨道交通方面，激光与增材制造技术是现代轨道交通行业最重要的制造技术之一，助力轨道交通装备轻量化，大量应用于列车板材及型材切割、关键部件焊接、齿轮等关键部件修复、列车轨道强化和修复、自动生产线物料运输和标识移植等场所。

激光与增材制造是汽车产业不可或缺的关键制造技术

汽车产业是拉动我国经济增长的支柱性产业,在国民经济中占据着举足轻重的地位，我国汽车销售量已连续13年位居全球第一。激光与增材制造技术已经应用到车身、零部件、动力总成、内外饰等汽车制造众多环节，目前欧美发达国家50%～70%的汽车零部件制造工序采用激光加工来完成，可以预期未来激光加工技术在汽车制造市场发展空间巨大。其中，激光焊接技术在汽车制造中应用最为广泛，除了可以满足白车身、车门、车架等主线零部件的焊装生产，还可以满足燃料电池、变速器齿轮、气门顶杆、车门铰链等离线零部件的焊装制造。目前我国汽车制造设备市场空间预计在1500亿元以上，其中汽车焊装自动化设备约占整体设备投资的25%左右，市场空间约400亿元。激光切割可针对铝材、铝合金、碳钢、不锈钢等难加工材料进行切割，大规模应用于汽车零部件、汽车车身、汽车车门框、汽车后备箱、汽车车顶盖等零部件的平面切割和三维切割。另外，激光表面处理技术、激光打标、激光清洗等激光加工技术也广泛应用于汽车制造与再制造，如激光打标应用于汽车零部件的标记、激光熔覆技术应用于汽车刹车盘的表面防护、激光清洗应用于汽车的维修清洗。新兴的增材制造技术在汽车行业的应用也取得了显著进展，除了应用于汽车前端的设计，已经局部实现了汽车零部件量产，为汽车轻量化的设计以及制造提供了新途径，逐渐成为国内外汽车产业的发展热点之一。如宝马公司增材制造换档拨杆已量产30万件；米其林公司已量产增材制造轮胎模具；汽车零部件供应商马勒公司增材制造的活塞比传统铸造活塞减重约20%，已在保时捷赛车上成功应用；大众汽车公司在德国沃尔夫斯堡的总部使用“黏合剂喷射”新型增材制造工艺，使制造的汽车部件比传统用钢板制造的部件轻50%，预计年产10万个金属3D打印零件。

激光与增材制造技术是新能源产业跨越式发展的助推器

新能源是未来世界的主体能源，新能源产业的发展好坏将直接影响我国在世界经济中的地位，特别是我国碳达峰、碳中和目标的提出，新能源产业迎来新机遇。近几年，激光与增材制造技术逐渐成为推动新能源产业发展的关键技术，已成功规模化应用于新能源锂离子电池、光伏、风电、核电等领域。其中，锂离子电池领域，激光加工技术被锂离子电池模组生产的电芯段和模组段大量采用，电芯段主要应用在极耳焊接、封口焊接等环节；模组段主要用在电芯与电芯之间的连接。据统计，1GWh 锂电池设备投资成本为4亿元～10亿元，其中激光加工设备投入达到6000万元～7000万元，随着新能源汽车的销量增长，激光加工技术在锂离子电池应用市场将呈现爆发式增长。光伏领域，激光加工技术凭借其精确的表面微结构加工和快速切割能力，成为提升光伏产品转换效率的重要手段，大量应用于光伏产业的薄膜电池划线、PERC 电池开槽、晶硅电池开膜、晶圆切割等。目前激光加工设备在光伏产业应用的年产值超10亿元，光伏发电市场规模逐年增长，2030年全球光伏累计装机量有望达到1721GW，未来，激光技术在光伏行业的应用潜力巨大。风电领域，激光熔覆、激光冲击强化等激光技术用于风电关键部件的表面防护和服役性能提升，为风电装备在苛刻工况下安全可靠运行提供保障。核电领域，增材制造技术被逐渐应用于燃料组件、燃料通道紧固件等复杂结构核电关键部件的一体化制造，增材制造技术成为新一代核电装备制造的有效途径。

激光与增材制造技术是其他产业转型升级的“全能手”

国防领域，激光技术可应用于测距、成像、制导、通信及对抗等，成为改变现代战争模式的关键技术之一。科研领域，激光与增材制造技术成为全球科研机构基础和应用基础研究的热点方向。化工领域，增材制造微通道反应装备成为化工产业绿色安全转型升级的关键点。五金卫浴领域，激光加工替代传统加工技术空间广阔。钢铁领域，激光熔覆成为钢铁轴类部件修复和再制造的重要技术。珠宝领域，激光与增材制造技术点亮珠宝产品加工新未来。仪器仪表领域，激光技术在分析仪器、检验工具、计量工具、水平仪和传感器等方向应用空间广阔。文娱领域，激光技术在灯光表演、游戏、数字影院、打印机等方向存在巨大的市场潜力。

展望未来，随着激光与增材制造技术日益成熟以及新型激光器和装备系统的持续涌现，其应用前景更加广阔，将成为推动传统产业转型升级和战略性新兴产业高速发展的新引擎。