在當下的先進制造領域，3D打印技術因其驚人的創(chuàng)新性和應用潛力備受矚目。該技術的顛覆性優(yōu)勢不僅使得制造業(yè)重新定義了新的可能性，更在諸多領域展現(xiàn)了巨大的應用潛力。隨著 3D打印技術的應用不斷成熟，可以實現(xiàn)更加高效率的加工，精度方面也有突破。打印效率對于3D 打印技術的產業(yè)化可謂重中之重，通過近年來打印設備激光器數(shù)量增加、激光掃描系統(tǒng)速率提升、激光器功率增大、最大成型尺寸提升、出粉方式的升級、工藝規(guī)劃軟件的升級等技術迭代進步，金屬3D打印設備的生產效率得到了長足的提升。
 

　　適合3D打印用的國產激光器廠商包括：銳科激光、長飛光坊激光、杰普特激光、寶辰鑫(創(chuàng)鑫)激光、大族激光、公大激光、凱普林、思創(chuàng)激光等。
 

　　適合3D打印用的國產振鏡廠商：大族思特、菲鐳泰克、漢邦激光(自研自用)、正時精控、世紀桑尼、鞍山精準、賽浦森、智博泰克、旭欣智能等。
 

　　據(jù)南極熊統(tǒng)計，目前國產激光器和振鏡應用比較多的領域包括齒科金屬3D打印、鞋模/模具類金屬3D打印等，它們的技術性指標要求相對較低，而且對成本極為敏感，國產可以大幅降低成本，從而得到廣泛應用。
 

　　在提升打印效率和精度方面，3D打印裝備上的核心元器件，例如激光器和振鏡等發(fā)揮著舉足輕重的作用。激光器發(fā)光后，通過場鏡或者動態(tài)聚焦鏡高度聚焦能力，和振鏡的精準控制，共同鑄就了金屬3D打印技術的精密性和效率性。因此，深入了解相關核心元器件的功能和優(yōu)勢，對于探索金屬3D打印技術的本質至關重要。
 

　　激光器
 

　　激光是受激輻射產生的光，因方向性強、能量密度高等特點而具有高加工精度及速度優(yōu)勢，激光加工對傳統(tǒng)加工方式不斷替代。從產業(yè)鏈環(huán)節(jié)來看激光產業(yè)已形成較為完備的產業(yè)鏈分布。此外，3D 打印、精密加工、激光焊接及激光清先等細分領域發(fā)展，進一步拉動了激光行業(yè)需求的增長。作為激光產業(yè)的核心部件，激光器是產生激光的核心單元，它在設備中價值占比較高。
 

　　目前，市面上用于3D打印的主流激光器的種類包括光纖激光器、固體激光器、半導體激光器、二氧化碳激光器，3D打印機會根據(jù)成型材料的不同匹配不同的激光器。然而激光器制造作為一個獨立的產業(yè)，其不斷的發(fā)展使它們與3D打印工藝的匹配也發(fā)生了很大變化。
 

　　光固化用紫外激光器有很多類型，如早期的氦鎘激光器(波長325nm，功率15-50mw)或氬離子激光器(波長351-365nm，功率100-500mw)，這些激光器曾應用在初期的SLA設備上，激光束光斑大小為0.05-3mm。目前光固化普遍使用固體紫外激光器，輸出波長可以穩(wěn)定為355nm，輸出功率接近800mw且可調，壽命明顯增長，只需要更換激光二極管就可繼續(xù)使用。
 

　　激光燒結技術采用的是二氧化碳激光器，輸出波長為10.6μm，功率可從幾瓦到幾萬瓦，光束質量極高，常被用來加工非金屬材料(對該波長具有很高的吸收率)。在激光燒結技術中，CO2激光器的功率選擇幾十瓦即可，光斑直徑在0.4-0.5mm左右，可用來燒結尼龍、覆膜砂、陶瓷以及PS粉末等非金屬材料。此外，早期的LOM也是采用CO2激光器進行輪廓切割。
 

　　金屬打印用激光器經歷了幾個發(fā)展階段，主要有CO2激光器、YAG激光器以及光纖激光器。CO2激光器的本身輸出波長很長，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，一臺800W YAG激光器的有效功率相當于3KW CO2激光功率。后來隨著光纖激光逐步被推向商業(yè)市場，YAG激光的弊端便不斷顯現(xiàn)出來，采用更加集成、電光轉換率更高、性能更穩(wěn)定的光纖激光便成為金屬打印發(fā)展的一大趨勢。
 

　　目前，雖仍有較少YAG激光器用于金屬打印，但絕對多數(shù)已被光纖激光占據(jù)市場。SLM用光纖激光輸出波長通常為1.07μm，峰值功率有200w、400w、500w、1000w等幾個級別，掃描光斑一般為80-150μm以內。
 

　　在2023年的12月中旬，為了進一步了解國內激光器產業(yè)及技術的發(fā)展現(xiàn)狀，南極熊曾對國內激光器行業(yè)的領航者杰普特進行了專訪：國產激光器助力金屬3D打印成本突破，南極熊專訪杰普特-南極熊3D打印網- 平臺 (nanjixiong.com)。杰普特負責人向南極熊表示，目前的激光器市場競爭十分激烈。尤其對于金屬3D打印機來講，它對激光器的要求要比切割焊接一類的要高很多：輸出的光束質量，M2需要小于1.1，現(xiàn)在杰普特針對3D打印行業(yè)批量出貨激光器普遍做到1.06-1.09。市面常見的激光器長時間功率浮動大約在3%-5%；但3D打印一般都會需要長時間工作，功率浮動要求在2%甚至1%以內，特別是如果單臺金屬機搭載2臺或者4臺激光器，每臺都有一定的誤差的話，打印出來的效果就會很差，一致性要求非常高。對于激光器下一代的技術更新，杰普特也進行了布局：(1)AOB激光器：激光輸出光斑為環(huán)形，內外環(huán)激光獨立可控，輸出光斑單模/多?？烧{。相較目前主流500瓦激光器的方案，可以讓金屬3D打印的填充效率提升數(shù)倍。(2)多臺激光器和多套振鏡使用一部控制器來控制，實現(xiàn)1拖4或者更多，提高響應速度和控制精度的同時也可以降低“多頭”聯(lián)調的調節(jié)難度。
 

　　振鏡
 

　　掃描振鏡是一種用于激光加工領域的矢量掃描器件，具有小慣量、高速掃描、精準定位和閉環(huán)反饋控制等特點。它是由光學掃描頭、電子驅動放大器和光學反射鏡片組成，靠兩個振鏡反射激光，形成 XY 平面的運動，主要配套振鏡控制系統(tǒng)使用，是一種專門用于激光加工領域的特殊的運動器件。它具有非常小的慣量，且在運動的過程中負載非常小，只有兩個小的反射鏡片，分別用不同的電機控制偏轉，系統(tǒng)的響應非?？?，具有高速掃描、精準定位和閉環(huán)反饋控制等特點。
 

　　在3D打印場景中，振鏡的跳轉速度和精度至關重要，特別是在創(chuàng)建輕量化結構和支撐結構時，需要頻繁的跳轉和高精度，以確保打印表面的光潔度和精度。另外，由于3D打印采用逐層掃描，工件的累計加工時間相比于新能源電池焊接更長，因此對振鏡的穩(wěn)定性和發(fā)熱控制要求相對較高。南極熊3D打印網是中國3D打印行業(yè)專業(yè)平臺，觀察到隨著3D打印市場需求量的不斷增長，應用于該行業(yè)的振鏡年復合增長率預計將超過30%。
 

　　從2000年到現(xiàn)在，振鏡經歷了多次的技術迭代，應用范圍也在不斷擴大。最初，國內應用主要集中在中低端市場，特別是打標行業(yè)。隨著中國消費電子、半導體和光伏技術的崛起，具有更高速度和精度的高端振鏡得到了更廣泛的應用。
 

　　激光加工控制系統(tǒng)是激光先進制造的核心，由運動控制軟件和卡組成，整合多領域技術。其中，振鏡系統(tǒng)通過振鏡電機實現(xiàn)激光束精準偏轉，應用于微納加工領域，具備高速度和精度。相較于伺服系統(tǒng)，振鏡控制系統(tǒng)速度更高、精度更高，適用于小幅面微納加工。激光加工控制系統(tǒng)是激光加工設備的核心數(shù)控大腦，通過融合計算機、激光與光學、運動控制與自動化、視覺追蹤等多領域先進技術，配套激光器、高精密振鏡等部件實現(xiàn)激光先進制造需求，屬于激光先進制造相融合的新一代信息技術領域產業(yè)。
 

　　振鏡控制系統(tǒng)是激光加工控制系統(tǒng)的一種，由振鏡電機、激光反射鏡片、控制驅動板組成。振鏡控制系統(tǒng)將激光束入射到振鏡，并通過計算機控制振鏡的反射角度，從而實現(xiàn)激光束的偏轉，使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標材料上按所需的要求運動，從而在材料表面上留下永久的標記。振鏡電機是一種特殊的擺動電機，其設計思路沿襲電流表的設計方法，振鏡電機只能進行偏轉運動，偏轉角與電流成正比。振鏡電機帶動可旋轉的低慣性鏡片進行激光束的定位，并采用位置傳感器和負反饋回路設計，充分保證振鏡系統(tǒng)具備高水平的掃描速度和重復定位精度。相比于伺服控制系統(tǒng)，振鏡控制系統(tǒng)在速度方面最高運動速度可達到3,600米/分鐘以上，而伺服控制系統(tǒng)的最高運動速度通常不超過120米/分鐘。在精度方面，振鏡控制系統(tǒng)的精度要求在0.5um-10um之間，而伺服控制系統(tǒng)的精度要求略低，一般在50um左右。振鏡控制系統(tǒng)具有高精度、高速度的特點，主要應用于幅面較小的微納加工領域。而伺服控制系統(tǒng)適配大面積宏加工，被廣泛用于大幅面的切割、焊接，包括鈑金加工、汽車制造、航空航天等領域。
 

　　振鏡的掃描速度也是影響打印效率的核心因素之一。振鏡模組的掃描效率越快，便可有效減少激光掃描的調整時間，生產效率也就越高。另外，加工的最大幅面和成型尺寸越大，可以適配更多尺寸的零部件，同時單板也可以批量化生產更多的零件，使得單個零件的產出效率提升成本降低。此外，還有激光器的最大功率、加工層厚等性能參數(shù)也在進步，包括工藝規(guī)劃軟件對于剖分效率、打印效率以及使用便捷性的提升，都在助力金屬 3D 打印技術的產業(yè)化。
 

　　我國3D打印裝備核心元器件的發(fā)展現(xiàn)狀
 

　　我國工業(yè)級增材制造裝備核心器件嚴重依賴進口的問題依然較為突出。增材制造裝備核心器件，如高光束質量激光器及光束整形系統(tǒng)、高速掃描系統(tǒng)、大功率激光掃描振鏡、動態(tài)聚焦鏡等精密光學器件以及部分電氣元器件等存在對進口產品的依賴，進口核心元器件主要為激光器、掃描振鏡、運動控制系統(tǒng)電氣元器件。相當一部分公司設備的部分核心器件對國外品牌存在一定的依賴性。
 

　　3D 打印設備所需核心元器件包括振鏡、激光器。在華曙高科2022年發(fā)布的招股說明書中表示，
 

　　其激光器主要從美國、德國進口，采購的進口激光器占激光器采購總額比例分別為 82.88%、 88.01%、86.08%和 69.90%，振鏡主要從德國進口，公司采購的進口振鏡占振鏡采購總額的比例分別為100.00%、98.02%、100.00%和 99.13%，報告期后，對進口振鏡的采購比例有所下降，但采購進口核心元器件的占比仍然較高，存在進口依賴風險。公司核心元器件激光器、振鏡對進口依賴的程度較高，進口振鏡、進口激光器在行業(yè)內應用歷史較久，性能成熟穩(wěn)定，知名度相對更高，而國產振鏡、激光器的技術成熟度相比進口振鏡、激光器還存在一定的差距。公司已逐步在部分中小機型設備中使用國產激光器、振鏡，但其長期穩(wěn)定性相比進口零部件存在不足，公司在短期內無法完成有效的全面國產替代。
 

　　目前，中國在振鏡控制系統(tǒng)的市場規(guī)模目前約20億元，高端市場占15億元，預計2025年有望達到25億元。2021年振鏡控制系統(tǒng)銷量增長35%，銷售規(guī)模達3.86億元。據(jù)《2021年中國激光產業(yè)發(fā)展報告》，2020年低功率精密加工控制系統(tǒng)的銷售數(shù)量為23.85萬套，受益于激光加工設備需求的持續(xù)高增，2021年振鏡控制系統(tǒng)銷量增長35%；按照振鏡1,200元/套的均價計算，2021年振鏡銷售規(guī)模達3.86億元。
 

　　據(jù)維科網產業(yè)研究中心統(tǒng)計，2014-2022年，我國振鏡生產企業(yè)數(shù)量由 10 家以內增長至超過 20 家。振鏡控制系統(tǒng)中低端市場已經實現(xiàn)國產化，而高端應用仍然由國外企業(yè)主導，在高精度標刻、劃線、鉆孔領域存在差距。國產高功率激光控制系統(tǒng)市場規(guī)模同比增加85.7%，高于中低端激光控制器增速。近年來國內供應商快速發(fā)展，振鏡控制系統(tǒng)中低端市場已經基本實現(xiàn)國產化。而在高端應用領域，目前主要由美國CTI、德國Scanlab和Raylase等國外企業(yè)占據(jù)。在高精度標刻、劃線、鉆孔領域，國產振鏡與國外廠商仍有較大差距。
 

　　振鏡控制系統(tǒng)位于產業(yè)鏈中游，應用涵蓋消費電子、汽車制造、機械制造、鋰電池等領域。政策支持和激光技術發(fā)展驅動市場增長，光伏、新能源和3D打印領域為振鏡應用提供了新機遇，市場前景廣闊。振鏡控制系統(tǒng)是產業(yè)鏈中游的關鍵器件，與激光器、機械系統(tǒng)等相互配合。振鏡控制系統(tǒng)的上游則包括光源材料、光學元器件以及電容電阻等其他材料。從直接上游來看，激光控制系統(tǒng)供應商需要對接芯片廠商、PCB廠商以及相關線材供應商，從目前國產替代情況來看，部分芯片可以實現(xiàn)國產化，但部分仍倚重德州儀器等國際供應商。PCB及線材基本國產化，且供應充足，價格透明。振鏡控制系統(tǒng)的下游是激光切割、焊接、打標、清洗、3D打印等激光設備，其中激光切割設備、激光焊接設備、激光打標設備產量占比分別為38%、28%、15%，合計超過80%。從下游應用情況來看，振鏡控制系統(tǒng)主要應用于消費電子、汽車制造、機械制造、鋰電池制作、航空航天、軌道交通、醫(yī)療等領域。
 

　　盡管我國的激光器/振鏡產品在國際市場上尚未形成有效的競爭態(tài)勢，但國內已經有許多制造商在振鏡控制系統(tǒng)領域做出了突破，其中的典型代表有：
 

　　金橙子：國內振鏡控制系統(tǒng)領軍企業(yè)，股權結構穩(wěn)定，創(chuàng)始人均具有深厚的技術背景，按2020年振鏡控制系統(tǒng)出貨量計算，金橙子公司市占率為32%，大族思特市占率為9%，而海外公司合計市占率僅為9%。公司業(yè)務涵蓋激光加工控制系統(tǒng)、激光系統(tǒng)集成硬件、激光精密加工設備，其中激光加工控制系統(tǒng)收入占比約七成，高精密振鏡產品以及激光同服控制系統(tǒng)產品目前正處于市場推廣階段；
 

　　大族思特：國內首家研發(fā)成功數(shù)字驅動板的振鏡企業(yè)，是一家擁有資深振鏡專家研發(fā)團隊的振鏡企業(yè)，目前已經基本實現(xiàn)核心部件全國產化、關鍵技術自主研發(fā)。大族思特堅持研發(fā)導向，服務市場的理念，走中高端產品的道路，已經有能力走出國門，在中高端市場和國外同行同臺競爭。大族思特產品在很多高端應用場景已經成功替代進口產品，如精密打標、焊接、切割、3D打印、顯視面板、極耳切割、PCB加工、太陽能光伏、醫(yī)療美容和檢測等行業(yè)；
 

　　金海創(chuàng)：成立于2001年，是專業(yè)從事光學掃描振鏡及其控制系統(tǒng)的研發(fā)、生產和銷售于一體的高新技術企業(yè)。其產品廣泛應用于激光標刻、醫(yī)療美容、激光3D打印、激光清洗、激光焊接、激光切割等多個領域，是振鏡行業(yè)的重要參與者之一，其產品包括系列化的光電數(shù)字振鏡系統(tǒng)和其他相關技術解決方案；
 

　　柏楚電子：國內激光切割運控軟件龍頭，在中低功率激光切割軟件市占率第一，高功率市占率快速提升;同時拓展智能激光切割頭及鋼構智能焊接系統(tǒng)，打開中長期成長空間；
 

　　銳科激光：國內工業(yè)激光器龍頭，主業(yè)保持較強市場競爭力，行業(yè)價格競爭趨緩、公司積極降本，盈利能力觸底反彈，同時，積極布局高端制造、海外出口、特種市場等，鞏固行業(yè)龍頭地位；
 

　　長光華芯：國內激光芯片頭部企業(yè)，公司持賣加大高功率半導體激光芯片國產替代進程，同時在激光雷達、光通信芯等場景產品研發(fā)驗證中；
 

　　維宏股份：國內控制系統(tǒng)知名公司，近年毛利率始終保持在較高水平，公司目前在重點發(fā)展激光切割市場；
 

　　3D 打印核心元器件未來國產化發(fā)展趨勢
 

　　2020年科技部、國家發(fā)改委等五部門發(fā)布政策，長期支持關鍵核心技術的研究，其中就包括3D打印和激光制造等領域。南極熊認為，隨著激光加工設備市場規(guī)模持續(xù)增長，隨著激光設備在先進領域的應用增加，未來振鏡市場規(guī)模有望繼續(xù)擴大，這主要出于以下幾點原因：
 

　　政策加碼：2020年科技部、國家發(fā)改委等五部門發(fā)布《加強“從0到1”基礎研究工作方案》，對關鍵核心技術中的重大科學問題給予長期支持。重點支持3D打印和激光制造、重點基礎材料、先進電子材料、制造技術與關鍵部件、高端醫(yī)療器械、重大科學儀器設備等重大領域，推動關鍵核心技術突破。
 

　　激光工藝拉動需求增長：受下游行業(yè)需求驅動，激光加工控制系統(tǒng)發(fā)展空間廣闊。據(jù)《2021年中國激光產業(yè)發(fā)展報告》，激光工藝持續(xù)發(fā)展帶動激光加工滲透率持續(xù)提升，2012-2021年，我國激光加工設備市場規(guī)模 CAGR 達19.2%，其中，2021年市場規(guī)模達821億元，同比提升18.5%。
 

　　先進領域帶動市場規(guī)模提升：從目前激光設備的應用領域來看，激光切割仍是核心應用領域，占據(jù)整體規(guī)模的四成以上，焊接、打標、半導體的應用則位于第二梯隊，分別占約13%，13%，12%。未來隨著激光設備廣泛應用于復雜加工領域，切割占比將會略有下降，3D打印等先進領域將有所增加，從而帶動振鏡市場規(guī)模的提升。
 

　　總的來說，3D打印激光器等核心部件的自主研發(fā)和國產化替代是未來我國需要長期投入并堅持的領域。核心部件的技術突破將推動我國3D打印技術及相關產業(yè)的快速發(fā)展，確保技術的安全性和可控性，減少對外部供應鏈可能帶來的潛在風險，提高技術自主性，提高國內相關行業(yè)的競爭力，同時為國內制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎。