张建敏:激光制造应用现状及趋势

3D打印直播
2020
08/26
10:18
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2020年8月20日-21日,中国增材制造产业发展芜湖(繁昌)高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行,此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导,中国增材制造产业联盟主办,繁昌县人民政府协办,南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

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△中国光协激光应用分会秘书长 张建敏
在“中国增材制造产业发展芜湖(繁昌)高峰论坛”上,中国光协激光应用分会秘书长张建敏发表主题演讲,题目是《激光制造应用现状及趋势》,以下是本场演讲的现场速记,经大会组委会授权发布。
△视频:张建敏《激光制造应用现状及趋势》

张建敏(中国光协激光应用分会秘书长):
尊敬的各位专家、朋友下午好!
下面我跟大家汇报一下个人对激光制造应用现状趋势的几点粗浅的看法。分三个部分,分引言、现状和趋势展望。

一、引言部分
我首先介绍一下中国光协激光应用分会。激光应用分会是中国光协下面的分会,去年11月26日正式挂牌,是由从事激光技术研发、生产、应用、投资、检测认证、咨询、教育、培训的有关单位、个人自愿发起成立的全国性非营利组织。目的就是为了能够引导激光产业的良性发展,为有关单位及科研人员提供产学研合作平台,为我国科技产业发展贡献力量。应用分会发起的单位包括大族激光、中电科十一所、中科院半导体所、中国久远、清华精仪系、北工大激光院、武汉锐科、长光华芯、济南邦德激光、浙大光电院 、福晶科技、华光光电等单位,这里面有研究所、有高校和企业。首任理事长是高云鹏先生。照片中右边这位是中国光协的理事长应明炯先生,左边是应用分会的理事长高云鹏先生。

我来自中国久远公司。中国久远是中国工程物理研究院的直属独资企业,是中国工程物理研究院高新技术装备的主要研制生产基地和对外窗口。今天可以跟在座的报告的典型产品是“低空卫士”系列产品:最左边是2014年新华网发布的系统照片,中间第二张是在九三阅兵中在天安门附近执勤的楼顶分布式系统,右边是我们去年年初在阿布扎比防务展参展的车载激光系统,这些都是针对肇事无人机处置的装备。围绕安防装备应用,中国久远依托中物院的技术也在布局从激光材料到激光器的系列产业平台。

激光自1960年发明以后就成为了我们人类认识世界和改造世界的重要工具,跟多个学科结合,已经极大的改变和重构了科学教育、生产制造、信息通讯、医疗诊断和国防等各个领域,应用极其广泛。例如我们今天现在用的信息系统、包括4G、5G,主要的数据交换都通过光通信,都依靠以半导体激光芯片为支撑。
在激光的多种应用中,激光制造应用是产业规模最大的激光应用领域。
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二、现状部分
2018至、2019年工程院组织了一个我国激光技术2035战略发展研究,其中里面有个激光制造课题。课题组与国内多个单位一起分析梳理,可以确认在我国现在激光制造领域大概有十几个应用,最终归结到以下5个方面:

第一,是去除和连接。这里面包括激光打标、激光切割、激光打孔和激光焊接。这几个大家看图都有相似性,作为一类。

激光切割大家现在可以经常看到的应用。目前各种各样的材料是都已经可以通过激光切割来实现,从钢板、不锈钢、铝合金、硬质合金等金属和玻璃、陶瓷、塑料等非金属性材料,当然这里用的是各种各样的不同激光器,包括二氧化碳激光器、固体激光器、光纤激光器,也有不同的波长、频率和体制。

激光焊接具有精度高、通用性强、效率高等优点,并可以和现有焊接技术复合使用。在不同的金属材料之间,金属材料和非金属材料之间,采用不同波长的激光器可以对不同的材料进行有效的焊接。激光焊接在汽车行业应用比较多,覆盖动力总成与传动系统焊接部件,包含涡轮增压器,飞轮,齿轮,拨叉。

激光打孔。在航空发动机方面,我国一直不强,人称有“心脏病”。重要原因是里面叶片叶片长期承受高温大气流长时间冲击,要求每个叶片数十数百孔,打孔精度要求很高,表面光滑度要求叶很高,因为对流场的不合理扰动会极大影响燃烧的效率。目前的措施是通过超快激光来进行冷加工,超快激光打孔的表面会很干净。在发动机研制中发挥了重要作用。

激光打标。大家可能没意识到,但实际打标的应用量极大。我们可以看到所有的产品都有二维码或条形码等标记,都是通过激光打标打出来的。这里面是常用的脉冲激光,而不是制造里面常用的连续激光。

综合应用。在手机制造中,从切割、打孔各种不一样的手段都在综合应用,这里面涉及到玻璃、宝石、陶瓷、半导体硅片等多种材料,所以一个新手机上线通常伴随着一大批激光装备在生产线上进行重构。特别现在华为折叠手机里面有70%以上的加工和制造环节都通过激光工艺。

第二是激光表面工程,包括激光冲击强化、激光淬火、激光熔覆,还有最近这些年新发展起来的激光清洗和激光毛化。这些都是对界面的激光处理。像风力发动机的轴承,都需要通过淬火强化来提高寿命。

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第三是增材制造。大家都是这领域专家,我不班门弄斧,不展开了。就是利用数字模型、数字数据,运用粉末、丝状金属或者是非金属等可熔合或粘合材料,通过逐层堆叠的方式来构造物体。这里面不同的是材料,可能需要不同的激光来加工。按我的认知,未来的系统可能要同时用多种波长的激光器来进行复合加工。因为产品系统既是结构还要承力,还要包含各种功能的多种要素,不太可能都仅有一种材料组成。

第四,激光修复和再制造。实际上和3D打印是非常相近的。只是对已经用了一段时间的设备通过3D打印这种方式进行维修,来让它焕发青春。有消息指美国军方已经围绕战场抢修研发了一些再制造的移动零件医院。

第五,激光微纳制造。我就不说了,在电子产业中很普遍大量应用。小尺度的,像光刻过程实际上就是标准、典型的微纳制造的过程。

三、趋势展望
激光在制造领域的应用是极其广阔的。,依据中科院武汉文献情报中心等每年出版的《中国激光产业发展报告》,从这里面我们看出最近几年国家科技计划在激光制造领域投入年增30%以上,但是相关数据也可看出这里面拿到科研经费支持的主要单位基本上是科研院所和高校,企业份额很少。我们判断梳理认为这里面有两个原因,一是项目可能都偏基础,二是项目生成方式可能需要改进,出题的专家来自企业一线的偏少。

激光制造产业每年增速在20-30%,远高于GDP增速,说明激光制造应用在扩展。制造业是国民经济的基础和支柱产业,我们国家制造业的整个的规模最大,已经超过美国、日本、德国三个国家的总和了;但是我们激光技术在制造业里面的渗透率只有30%左右,其他三个国家都在40%多,这意味着激光制造的应用程度达到这几个国家相近的话,我们在现在这个规模至少还能够有50%以上的成长空间。

我国激光制造行业仍存在一系列不足。总体来讲还是比较分散的。在中低端水平,我们产品已经牢牢占据了国内市场,开始向世界上推出。但在高端产品原创和首创的产品比较少,大部分产品都是跟随型,即这类产品第一台往往是国际上大公司做的,也就是说我们根据产业的需求创造开发出全新的激光装备的工作做的不够。这里面体现出科研和产研融合不够,关键共性技术供给不足,关键核心部件的国产化程度不够,是产学研用金协同创新不到位。结论是,我们认为激光制造创新空间、发展空间潜力非常之大。

面对十九大提出2035年国家发展目标,以及现在正在急剧变化的世界形势,我们激光制造有着广阔的发展空间,当然我们也有很多要解决的问题。我们前面提到很多高端装备,都在跟随国外的路;我们要想做世界创新大国,要走到世界的前列,就不可能老跟别人走,我们要在激光制造领域实现以下转变:从粗放型,中低端产品要向高端产品去攀登;从局部进口替代向全面的进口替代并向世界输出发展;以区域化的内向型市场为主逐步内外结合的全球化市场推进;从模仿跟随型向自主创新引领型去发展。

工程院战略咨询项目课题组提出的2035年战略目标设想,我想这也是一种倡议、希望。我今天跟大家做个介绍,也希望大家往这个方向努力。主要内容包括:突破激光制造基础理论,取得原创性技术成果,超前部署研发下一代激光制造技术;探索激光制造新原理、新方法、新技术;攻克激光制造用核心功能部件;研发智能化、极端化、高性能先进激光制造技术与系列装备。期望到2035年:基本实现我国激光制造全产业链自主供给,解决技术瓶颈问题,在某些技术领域取得绝对优势,在未来科技竞争中获得部分话语权;实现大规模产业化应用,产业规模达到1万亿,有效支撑我国社会的创新驱动和可持续发展并创造巨大的经济和社会效益;总体实力达到与世界先进水平“并跑”,促进传统制造业转型升级,支撑我国高端制业发展。

项目组也提出了2035年前的重点攻关装备:热加工用十万瓦级高亮度连续激光器; 冷加工用万瓦级超短脉冲激光器;激光微纳制造新装备;激光表面制造技术与装备;激光复合制造装备;三维复杂结构激光智能制造装备;高可靠高性能智能化精密激光金属增材制造装备;幅面及体成形高效高精度激光增材制造装备;超微/超大极端难加工结构超高效增材制造装备。

根据我们做新装备研制的经验,认为要做一个全新的装备研发,我们需要走通需求识别、技术选择验证、新概念设计、研制试用及改进验证的过程。在需求识别方面,系统总体要对应用有深入洞察,判断有没有可能;在技术选择验证方面需要探讨工艺、效率、选什么样的波长、什么样的激光器、频率等因素,在前两个环节往往科研单位比较擅长。基于这样做成产品的原型,中间进行一系列的试用迭代,才能形成综合的新型装备。因此,我们国家要做新型的装备,未来更需要在创新的体系上、创新生态建设上做大量的工作。

我们在做新装备研制中,有以下几点体会:
1)装备(产品)创新的核心是,以满足需求为目标,而不是效仿别人——跟踪注定落后,创新才能超越。
2)装备创新是一个体系行为,不是一个人猛然间的灵光一现,不是个人行为,要组织有意为之。装备创新不仅仅是提出新的概念,而是要建立从概念提出、原理验证、实验、评估、应用检验的全链条。
3)装备创新是需求与技术可行性的有机结合,对需求有敏锐感知、具体把握,对新技术有深刻理解,这就要求研制方与需求方深入沟通、迭代和高效协同。
4)装备创新需要多领域多单位的合作、协同,(机理研究、技术攻关、产品研发、市场推广、金融和政策支持)。

最后,做点小结:
激光制造大有可为、潜力无限;加速激光制造产业的发展,需要在政府、大学、科研院所、企业、金融机构、行业协会、中介机构等多元创新主体的联系和互动。
激光应用分会期望在这这个发展过程中,为多元创新主体和行业的发展中发挥交流、互动的平台作为,并在产业规划、产业共性技术问题提出与研发策划、产业标准规范制定中发挥积极的推动作用。

今天我的汇报的内容有不少来自于《我国激光技术应用2035发展战略研究》项目成果。今年《中国工程科学》第二期6月份出版的专刊,里面有约20篇文章,感兴趣的可以从工程院的官网上可以下载。

谢谢大家!
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