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制造業轉型升級要用好激光技術
2020-02-20 00:02
來源:科技日報
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— 對話華中科技大學激光加工國家工程中心主任朱曉

  視覺中國供圖

  ●激光制造技術的復雜結構制造能力、品質與靈活性遠高于傳統制造技術,目前我國部分激光制造技術已國際領先。

  ●當前我國激光產業已經初具規模,2018年我國激光器及激光設備產值達到600億元以上,中國已經成為中低端激光制造做得最好、最大的市場。

  ●在國家重點研發計劃的支持下,我國激光制造產業形成了“全鏈條設計、一體化實施”的思路,越來越多的企業已經投入到超快激光器的研發中來。

  激光歷經60年發展,從日常的衣食住行到工業領域加工制造的各個環節,它的身影已無處不在。

  當前,全球制造業正在掀起新一輪產業革命。激光制造技術的復雜結構制造能力、品質與靈活性遠高于傳統制造技術,在航空航天、軌道交通、電子制造、新能源、新材料等領域有著重要發展前景,被專家認為是制造業轉型升級的新一代戰略性支撐技術,其也一直被世界主要發達國家所重視。

  在前期市場拉動和政策支持下,中國已成為全球最大的激光制造市場。面對機遇,中國在激光制造領域正在進行怎樣的探索?激光制造產業還應突破哪些關卡?未來激光制造產業發展的方向是什么?就此,記者與華中科技大學激光加工國家工程中心主任朱曉進行了獨家對話。

  集中攻關,部分激光技術已國際領先

  記者:激光制造領域已成為全球制造業轉型升級過程中關注度最高的領域之一,您認為世界主要發達國家關注和支持激光制造領域的原因是什么?

  朱曉:激光制造技術是國際戰略核心技術之一,世界主要發達國家也均將激光制造列入相應的國家發展計劃,持續加大國家投入。

  美國在激光制造基礎理論、產品研發方面走在了世界發展的前列,持續的政府政策支持帶動了美國航天航空、高端芯片等領域的激光加工應用發展。比較典型的是美國通用電氣公司,它應用在飛機發動機制造上的激光鉆孔技術目前是全球最高水平。

  歐洲的激光制造則以德國為代表,德國擁有強大的基礎工業發展體系。經過多年的發展,德國將在其國民經濟占有最重要地位的汽車制造做為應用支撐點,使激光制造技術完成了從輔助技術到主流技術的轉變,而這些又反過來促進了德國制造業整體水平的提升。

  記者:對于中國激光制造產業的發展路徑,您是怎樣理解的?目前我國有哪些突出的激光制造技術成果?

  朱曉:中國激光制造產業的發展路徑是從中低端往高端走,走的是“群眾路線”。中國非常注重激光制造產業的發展,近十年也在國家層面發布了多項激光制造的規劃,加之中國市場的廣闊和應用需求的強勁,當前我國激光產業已經初具規模,2018年我國激光器及激光設備產值達到600億元以上,中國已經成為中低端激光制造做得最好、最大的市場。

  中國的激光制造產業同時也在高端制造領域加緊追趕步伐。在國家科技計劃,特別是“增材制造與激光制造”國家重點研發計劃的支持下,從基礎研究、器件研制、裝備開發到實際的應用示范,形成了“全鏈條設計、一體化實施”的思路,集中優勢力量攻關,目前已產出一些突出成果,如提出了電子動態調控超快激光制造的新原理、新方法,研制出了高性能新一代激光晶體等,形成了一定特色,部分技術國際領先。

  國產替代,幫助企業快速增長

  記者:過去十年,被業界普遍認為是中國激光制造產業的黃金十年,我國激光制造的市場規模增長率也遠超國際平均增長速度,這種增長態勢還會持續嗎?

  朱曉:隨著中國制造業的轉型升級,激光技術的成本不斷下降,應用需求空間不斷擴大,預計未來激光制造的市場規模將越來越大。

  首先,激光制造在中低端可以做到替代部分傳統制造,加工的效率、制造的質量也要好得多,優勢明顯。由于激光制造應用范圍越來越廣,其自身市場的體量也比較大,所以激光制造成本變得越來越低,進入了一個良性循環。

  其次,此前我國激光設備大多依賴進口,但近5年來,我國企業在技術上實現了諸多突破,涌現出了大族激光、華工科技、銳科激光等企業,讓中國本土擁有了更好的配套和更低的成本,國產替代已是大勢所趨,我國激光企業將通過國產替代實現快速成長。

  同時,智能制造引發了全球熱潮,激光制造技術將成為智能制造領域重要的加工手段。比如,手機中90%的零部件需要通過激光加工,并且在這90%零部件的制造過程中,超過20種不同工藝的制造環節會用到激光技術及相關的制造設備。這些新的市場需求,給激光制造產業帶來持續發展動力。

  記者:面對中國激光制造產業的黃金時期,產業各界應該在哪些方向努力和改變?

  朱曉:中國現已進入到激光制造技術全面應用的時代。在轉型發展的關鍵時期,規范行業發展迫在眉睫,同時也要加快激光核心器件的突破。

  目前,激光制造已處于技術敏感期,在升級激光傳統的加工手段、開發新型加工手段的同時,我們還需要努力形成更規范的市場運作。政府部門和行業各界需要共同努力,在管理上下功夫,引導行業健康發展,建立相關的規章制度、服務體系,避免出現惡性競爭等,同時行業內的參與者也應更自律。

  中國激光制造技術近年來進步顯著,但要跟上世界主要發達國家的技術水平,我們還是要在關鍵核心器件上實現突破,目前國內也在這方面補短板。比如對于超快激光器在精密微細制造中的應用,國家重點研發計劃已有布局,武漢華日激光公司牽頭的超快激光器的工程化量產和產業化示范,現在已做到百瓦級。國家重點研發計劃的引導只是開始,現在國內越來越多的企業已經投入到超快激光器的研發中來。激光是一種通用工具,激光制造和其他制造相結合是未來發展的趨勢,未來更多新的應用會被開拓出來,我們要充分發揮激光的特點,做好、用好這個工具。

  打破壟斷,為產業化奠定基礎

  記者:您主持的脈沖碟片激光器項目2019年3月成功實現國產,業內專家高度評價說其填補了全球相關技術和設備的空白,您能介紹一下它的優勢和創新價值體現在哪些方面嗎?

  朱曉:激光的產生需要一定的“工作物質”,現在工業激光器主要有4種:半導體激光器、光纖激光器、板條激光器、碟片激光器。這4種激光器中,碟片激光器是獲得大脈沖能量、高平均功率、窄脈沖寬度的最佳技術方案。

  之前國內碟片激光器受限于知識產權和核心器件,一直被德國壟斷。我們走的是另外一條技術路線,擁有自己的知識產權,多項技術指標和技術成熟度等同德國水平。目前核心單元器件已成熟,器件完全實現國產化,為今后產業化奠定了基礎,在硬脆材料制造、金屬材料打孔、精密焊接等應用領域前景廣闊。

  未來我們打算繼續研發更高功率的激光器,做到千瓦級、萬瓦級。在基礎研究方面,要解決薄片發熱問題,獲得更好光束質量;要采用不同的激光晶體,做成系列碟片激光器;最后希望能與下游設備集成商緊密合作,實現成果轉化,最終實現脈沖碟片激光器的量產。

  記者:您剛提到目前正在尋求脈沖碟片激光器的后續成果轉化,這個過程中您感觸最深的是什么?

  朱曉:實驗室成果轉化為產品,核心是要進行工程化開發,解決產品的成品率和生產效率的問題。保證成品率的批量生產至關重要,制作工藝、制造標準、檢測方法都要在質量控制上做到位才行。我們需要考量怎么把每一步做規范,控制精準,還要提升制造效率,降低成本。(原載于《前沿科學》2019年第4期,內容有刪減)


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