2017年6月27日，德國(guó)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)(VDMA)下屬的“用于材料加工的激光與激光系統(tǒng)”工作委員會(huì)在德國(guó)慕尼黑召開(kāi)了年度新聞發(fā)布會(huì)。會(huì)議主要對(duì)包括德國(guó)、美國(guó)以及亞洲等國(guó)家和地區(qū)在內(nèi)的全球激光行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)做了回顧和展望，闡述了各激光產(chǎn)品和技術(shù)在不同戰(zhàn)略市場(chǎng)的應(yīng)用潛力和前景。本期，您將先看到第一部分的內(nèi)容。
全球激光技術(shù)和應(yīng)用趨勢(shì)摘要
● 超短脈沖（USP)激光器
在越來(lái)越多的應(yīng)用中—包括對(duì)用于顯示器的聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)化處理和精密切割，超短脈沖的優(yōu)勢(shì)正與短波長(zhǎng)有機(jī)結(jié)合。值得關(guān)注的參數(shù)范圍包括紫外光譜范圍內(nèi)30W的平均功率和綠色光譜范圍50W的功率，脈沖寬度小于1ps。在綠色光譜范圍內(nèi)幾百μJ的脈沖能量可被用于相應(yīng)的應(yīng)用。該激光束更好的聚焦能力和改進(jìn)的消融處理能實(shí)現(xiàn)更大的微加工精度，同時(shí)提高工藝穩(wěn)定性。這可以通過(guò)增加在可見(jiàn)光譜和紫外光譜范圍內(nèi)操作的超短脈沖激光器的功率得以實(shí)現(xiàn)。USP激光源在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越高的接受度以及從研發(fā)向商業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變是顯而易見(jiàn)的。
● 激光光源的組合—二極管激光器，光纖激光器，碟片激光器
用于工業(yè)應(yīng)用的高性能、連續(xù)發(fā)射的激光光源主要包括二極管泵浦多模固態(tài)激光器，如碟片激光器和光纖激光器。鑒于其工藝穩(wěn)定性、抗反射性、智能能源管理和冷卻概念以及智能工廠(chǎng)集成的可能性，碟片激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度的技術(shù)改進(jìn)。德國(guó)通快（Trumpf）已經(jīng)交付了超過(guò)10,000臺(tái)具有千瓦輸出能力的碟片激光器。
通快的短/ 超短脈沖激光器是為微細(xì)加工開(kāi)發(fā)的理想工具（圖源：Trumpf)
技術(shù)進(jìn)步也使高亮度的二極管激光器和基本模式的光纖激光器對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言變得越來(lái)越重要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，高亮度直接二極管激光器有可能解決輸出功率在幾千瓦范圍內(nèi)的應(yīng)用問(wèn)題。通過(guò)簡(jiǎn)單的技術(shù)手段在光纖激光器中生產(chǎn)，這種橫向基本模式可通過(guò)與工件的相互作用實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的加工。這為許多精密應(yīng)用提供好處?；A(chǔ)模式的光纖激光器應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的另一個(gè)例子是通過(guò)擺動(dòng)技術(shù)焊接鋁和銅。銅的加工操作也非常有效地利用了使用頻率轉(zhuǎn)換的綠色碟片激光器這個(gè)創(chuàng)新概念。
總之，所有固態(tài)激光器的配置正處于不斷發(fā)展中—包括半導(dǎo)體激光器。鈑金切割使用固態(tài)激光器替代 CO2激光器的趨勢(shì)已趨于穩(wěn)定，并保持在約1/3 CO2激光器以及2/3固態(tài)激光器的穩(wěn)定比例。CO2激光工藝能夠提供具有最小拖痕的切割圖案，并且在諸如管道切割的應(yīng)用中提供更廣泛的加工窗口以及可靠的工藝。此外，激光活性介質(zhì)的高頻激發(fā)不會(huì)導(dǎo)致其磨損。出于這些原因，CO2激光器不會(huì)完全從工業(yè)環(huán)境中消失。
● 3D激光加工—兩個(gè)不同的趨勢(shì)
3D激光加工市場(chǎng)涵蓋兩個(gè)完全不同的部分：一方面是高生產(chǎn)率、專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)概念；另一方面是柔性的機(jī)器。
從高效的系統(tǒng)概念這層來(lái)看，值得注意的是熱成型部件的切割。由于汽車(chē)行業(yè)的碰撞強(qiáng)度要求越來(lái)越高，并且需要降低燃料消耗和污染物排放，這一工藝的使用不斷擴(kuò)大。笛卡爾激光系統(tǒng)具有極高的動(dòng)態(tài)精度，在這些應(yīng)用中已被證明是有效的。
在3D生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域，機(jī)器人解決方案正在擴(kuò)大與實(shí)時(shí)同步的機(jī)器人，掃描振鏡和激光器之間的技術(shù)選擇，并通過(guò)智能網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更高精度的“飛行”焊接。
從柔性機(jī)器的層面看，主要的要求是初始組件的快速實(shí)現(xiàn)。編程、設(shè)置技術(shù)和工藝知識(shí)起到?jīng)Q定性的作用。在其他領(lǐng)域，單機(jī)必須覆蓋盡可能多的工藝流程。典型的目標(biāo)客戶(hù)包括靈活的合同制造商和研究機(jī)構(gòu)。結(jié)合笛卡爾系統(tǒng)的使用，無(wú)論在有無(wú)填充材料的情況下，機(jī)器人焊接解決方案對(duì)合同制造業(yè)務(wù)也是極具吸引力的。
● 增材制造
隨著2D和3D部件的切割和焊接需求上升，LMD（激光金屬沉積）工藝的集成趨勢(shì)在此也非常明顯。這使得具有非常高的沉積速率的增材制造工藝能夠彌合焊接過(guò)程中形成的間隔，或選擇性地沉積由高強(qiáng)度鋼制成的耐磨層。
過(guò)去幾年內(nèi)，金屬增材制造（AM）市場(chǎng)每年的增長(zhǎng)率約為40％。增材制造產(chǎn)業(yè)正全方位地展示出積極的發(fā)展勢(shì)頭，而這種活力不斷促進(jìn)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的增進(jìn)、勞動(dòng)力的擴(kuò)張以及國(guó)際兼并活動(dòng)的激增。
AM Factory of Tomorrow（ 明日增材制造工廠(chǎng)） 是由德國(guó)3D 打印技術(shù)巨頭Concept Laser 推出的革命性增材制造工廠(chǎng)解決方案。
不斷增長(zhǎng)的機(jī)器生產(chǎn)力成為促使原型設(shè)計(jì)發(fā)生轉(zhuǎn)變以及幫助小批量生產(chǎn)邁向多產(chǎn)的批量制造的推動(dòng)力。除此外，這使得可以實(shí)施更創(chuàng)新的多光束激光系統(tǒng)技術(shù)以及具有智能部件和粉末管理概念的完整解決方案，從而實(shí)現(xiàn)更大的機(jī)器利用率。具有多激光解決方案的新一代機(jī)器也不斷應(yīng)運(yùn)而生，例如，能夠以經(jīng)濟(jì)方式批量生產(chǎn)部件。工業(yè)解決方案涵蓋整個(gè)流程鏈，其特點(diǎn)包括三個(gè)成功因素：智能數(shù)字化、強(qiáng)大的機(jī)械和服務(wù)。因此，制造商也將注意力轉(zhuǎn)向工業(yè)軟件、監(jiān)控解決方案以及一致的服務(wù)。此外，新的機(jī)械解決方案和自動(dòng)化概念正在解決特殊的行業(yè)要求。
當(dāng)前有一個(gè)重要課題，同時(shí)也是VDMA下屬增材制造協(xié)會(huì)討論的核心便是探索增材制造和工業(yè)4.0之間的聯(lián)系。目的是在整個(gè)流程步驟中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的業(yè)務(wù)，并在增材制造領(lǐng)域建立標(biāo)準(zhǔn)流程。
亞洲激光市場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
亞洲激光市場(chǎng)與中國(guó)的高生產(chǎn)能力緊密相連。盡管去年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩，但中國(guó)仍然是亞洲激光產(chǎn)品增長(zhǎng)的主導(dǎo)市場(chǎng)。在未來(lái)5到10年中，預(yù)計(jì)中國(guó)的激光和光電產(chǎn)業(yè)的年增長(zhǎng)率將在10-15％之間。這一時(shí)期中國(guó)激光行業(yè)也將取得更大的進(jìn)步。中國(guó)激光企業(yè)正越來(lái)越多地與西方生產(chǎn)商競(jìng)爭(zhēng)。外國(guó)制造商必須對(duì)這一趨勢(shì)做出反應(yīng)，并適應(yīng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的步伐。
實(shí)質(zhì)上，亞洲幾乎所有的激光應(yīng)用市場(chǎng)都在增長(zhǎng)。今天，一些微電子產(chǎn)業(yè)幾乎將目光完全鎖定亞洲。
隨著機(jī)器和激光技術(shù)的進(jìn)步，制造商在2D 激光切割領(lǐng)域不斷向更好的激光功率挺進(jìn)。（圖源：Trumpf）
基于新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，核心市場(chǎng)的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。然而，在某些地區(qū)，個(gè)別工業(yè)部門(mén)的專(zhuān)業(yè)化水平越來(lái)越高。例如：越南的電子制造業(yè)、泰國(guó)和馬來(lái)西亞的代工生產(chǎn)、孟加拉國(guó)和巴基斯坦的紡織業(yè)，以及新加坡的醫(yī)療工程行業(yè)。
● 機(jī)械制造業(yè)
在機(jī)械行業(yè)，激光制造產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)需求上升是中國(guó)首要增長(zhǎng)動(dòng)力。目前，人力密集型制造業(yè)向更高程度的自動(dòng)化方向發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，這提高了對(duì)高品質(zhì)機(jī)械和易于自動(dòng)化流程工藝的需求。
過(guò)去的一年間，1-2kW的光纖激光器在中國(guó)的需求仍然居高不下。但是，目前來(lái)看，對(duì)切割應(yīng)用更高的功率趨勢(shì)也在提升。在較低和中等功率范圍，如今越來(lái)越多的激光光源可從當(dāng)?shù)氐募す庵圃焐烫帿@得，其中不少公司還推出了功率高達(dá)1kW的機(jī)架式激光器。今年，切割型激光器的需求已經(jīng)轉(zhuǎn)向3-4kW，而趨勢(shì)正朝著6-8kW持續(xù)挺進(jìn)。
然而，第一臺(tái)10-12kW功率的激光系統(tǒng)也已經(jīng)交付。日本切割機(jī)制造商向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要提供2-4kW輸出范圍的機(jī)器，而超過(guò)6kW的大幅面激光切割系統(tǒng)則出口歐洲和美國(guó)。
● 汽車(chē)行業(yè)
汽車(chē)行業(yè)的增長(zhǎng)是由亞洲驅(qū)動(dòng)的，而這種力量主要來(lái)自中國(guó)和印度巨大的銷(xiāo)售市場(chǎng)。2016年，僅中國(guó)就生產(chǎn)了2,810萬(wàn)輛汽車(chē)（來(lái)源：中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)）。在此過(guò)程中，中東國(guó)家進(jìn)一步擴(kuò)大了其作為全球最大汽車(chē)市場(chǎng)的地位。在這一市場(chǎng)中，乘用車(chē)部門(mén)的同比增幅最大，達(dá)16％。由于印度的整體購(gòu)買(mǎi)力較低，市場(chǎng)增速并不如中國(guó)那么快。印度的汽車(chē)產(chǎn)量為450萬(wàn)輛，世界排名第五。另外，韓國(guó)制造商向中國(guó)貢獻(xiàn)大量的市場(chǎng)份額，其產(chǎn)量在2016年出現(xiàn)了7％的下滑。盡管如此，韓國(guó)一線(xiàn)汽車(chē)制造商依舊擴(kuò)大了其在亞洲的市場(chǎng)份額，單這部分就占據(jù)了韓國(guó)汽車(chē)出口總量的62％。而日本不得不面對(duì)另一輪輕微的生產(chǎn)低迷。
激光器在中國(guó)的應(yīng)用如今也已很成熟，特別是在“白身車(chē)”部分。與國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造商合作的海外合資企業(yè)也幫助加快激光工藝的引進(jìn)。在“白身車(chē)”這塊，日本越來(lái)越多的傳統(tǒng)工藝也被激光加工所取代。觀(guān)察者預(yù)計(jì)在鋁焊接應(yīng)用中使用激光加工的增長(zhǎng)尤其明顯。
同時(shí)，當(dāng)?shù)氐馁Y金和激勵(lì)計(jì)劃正在推動(dòng)這一增長(zhǎng)，旨在減輕輕量化和電動(dòng)出行方式背景下汽車(chē)的重量。隨著汽車(chē)車(chē)身制造中典型的切割、焊接和打標(biāo)應(yīng)用，電動(dòng)化趨勢(shì)越來(lái)越多地主宰著激光應(yīng)用在汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展速度。電池制造商尤其成為激光光源的重要消費(fèi)者，去年的投資也大幅增加。這些激光器涵蓋廣泛的應(yīng)用，包括電池、其外殼、模塊化設(shè)計(jì)及其包裝。1μm激光器成為加工鋁和銅等材料的理想工具。此外，高度動(dòng)態(tài)的振鏡掃描解決方案可以提高電池行業(yè)幾乎所有應(yīng)用的生產(chǎn)。
通過(guò)激光輔助加工實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制造中的材料輕量化目標(biāo)。（圖源：Fraunhofer ILT）
對(duì)于一級(jí)制造商來(lái)說(shuō)，噴射噴嘴的焊接和氣囊材料的切割等應(yīng)用越來(lái)越重要。亞洲的汽車(chē)制造商也對(duì)玻璃切割等最新應(yīng)用愈發(fā)感興趣。
● 醫(yī)療工程行業(yè)
在亞洲許多地區(qū)，對(duì)醫(yī)療設(shè)備和植入物的強(qiáng)烈需求，再加上政府的支持，為激光應(yīng)用創(chuàng)造了很大的空間。
在醫(yī)療器械工程中，使用從紫外到中紅外范圍的不同激光技術(shù)。對(duì)于給定的材料使用正確的波長(zhǎng)確保了有效的操作和良好的產(chǎn)能特性。根據(jù)精度要求，可以使用短脈沖納秒激光器或（超短脈沖）皮秒激光器。超短脈沖減小加熱區(qū)域的尺寸，而結(jié)合冷加工工藝，繼而成為精度最高的技術(shù)。該方法用于高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，如支架生產(chǎn)。
在支架領(lǐng)域，還不斷面臨著國(guó)家價(jià)格法規(guī)的制約，就如同近來(lái)在印度發(fā)生的那樣。在那里，政府設(shè)定支架價(jià)格，以規(guī)范醫(yī)療工程產(chǎn)品的成本。因此，美國(guó)和其他地方的供應(yīng)商已經(jīng)從印度市場(chǎng)撤出支架。對(duì)于激光制造商來(lái)說(shuō)，這既帶來(lái)了機(jī)遇，也伴有些不確定因素。
隨著使用激光器來(lái)制造醫(yī)療設(shè)備，激光打標(biāo)或刻字功能也正進(jìn)一步增長(zhǎng)。通過(guò)改變材料的顏色 ，并結(jié)合金屬退火、碳化或用塑料發(fā)泡等手段，可以產(chǎn)生無(wú)腐蝕的標(biāo)記，而不需使用毛刺來(lái)對(duì)表面做改性處理，并且不需要引入額外的材料。激光打標(biāo)的形式和內(nèi)容幾乎沒(méi)有技術(shù)上的限制，無(wú)論涉及植入物，或是醫(yī)療設(shè)備的打標(biāo)。即使僅具有數(shù)μm高度的字符的微細(xì)打標(biāo)也是可能的。
● 顯示器
亞洲無(wú)疑是使用激光器生產(chǎn)顯示器的熱點(diǎn)地區(qū)。高分辨率的趨勢(shì)持續(xù)保持，不僅包括移動(dòng)設(shè)備（如智能手機(jī)和平板電腦），同時(shí)還涉及大型電視屏。顯示技術(shù)快速發(fā)展，AMOLED（有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管）顯示器具有極高的分辨率和非常寬的色譜特征，正逐漸攻占市場(chǎng)，特別是在移動(dòng)領(lǐng)域。 OLED屏幕的物理尺寸和形狀及其使用柔性基板的能力正在擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。這反過(guò)來(lái)又對(duì)新的加工方法和基于激光的相應(yīng)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生了強(qiáng)烈需求。隨著移動(dòng)顯示器中的LCD向柔性O(shè)LED技術(shù)轉(zhuǎn)換，大型顯示器產(chǎn)業(yè)也正在進(jìn)行大量的新投資。
非常高分辨率的系統(tǒng)，如超高清UHD（3840 x 2160像素）正在主導(dǎo)市場(chǎng)并提高精度要求。更大的屏幕對(duì)角線(xiàn)的趨勢(shì)需要較大的基板。未來(lái)將標(biāo)志著移動(dòng)顯示器的技術(shù)變革以及電視屏幕采用極高分辨率的趨勢(shì)。 2017和2018年期間，預(yù)計(jì)新生產(chǎn)機(jī)械的投資額將高達(dá)170億歐元，比2016年增長(zhǎng)約30％。此外，OLED技術(shù)的投資在2017年繼續(xù)擴(kuò)大，預(yù)計(jì)會(huì)增長(zhǎng)50％。連同OLED電視屏幕，移動(dòng)顯示器在其中將占據(jù)最大的份額。預(yù)期激光光源和設(shè)備的相應(yīng)需求也會(huì)保持堅(jiān)挺。
在顯示器的生產(chǎn)中，大多數(shù)激光工藝已得到采用：制造特征體現(xiàn)在處理具有薄層（50-500nm）的大面積區(qū)域，同時(shí)提高精度要求。在這種情況下，激光在許多處理步驟中是必不可少的。其中，某些工藝允許激光在最大程度上顯示其在精度和選擇性方面的優(yōu)勢(shì)。這種“啟動(dòng)器”包括具有高功率UV激光輸出的準(zhǔn)分子激光退火工藝，玻璃和塑料基板的極高精度切割以及激光剝離工藝。
● 其它不同的行業(yè)
如一開(kāi)始就已提到的，亞洲其他的核心市場(chǎng)在紡織和包裝行業(yè)，半導(dǎo)體和微電子行業(yè)或太陽(yáng)能技術(shù)等市場(chǎng)持續(xù)呈現(xiàn)積極的增長(zhǎng)勢(shì)頭。激光加工的重要性與制造商希望生產(chǎn)出體積越來(lái)越小，功能更強(qiáng)大，更可靠的設(shè)備的愿景不謀而合?；谄洳ㄩL(zhǎng)越來(lái)越短，功率和可靠性越來(lái)越高，激光器的可行性也在不斷擴(kuò)大。
最后同樣重要的是，亞太地區(qū)的增材制造（SLM / SLS）業(yè)務(wù)也在大幅增長(zhǎng)—特別是日本、韓國(guó)和中國(guó)的制造商。
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