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南极熊导读：工业级3D打印（特别是金属）在中国发展得如火如荼，但是有没有一些“卡脖子”问题出现呢？
在当下的先进制造领域，3D打印技术因其惊人的创新性和应用潜力备受瞩目。该技术的颠覆性优势不仅使得制造业重新定义了新的可能性，更在诸多领域展现了巨大的应用潜力。随着 3D打印技术的应用不断成熟，可以实现更加高效率的加工，精度方面也有突破。打印效率对于3D 打印技术的产业化可谓重中之重，通过近年来打印设备激光器数量增加、激光扫描系统速率提升、激光器功率增大、最大成型尺寸提升、出粉方式的升级、工艺规划软件的升级等技术迭代进步，金属 3D 打印设备的生产效率得到了长足的提升。 - 适合3D打印用的国产激光器厂商包括：锐科激光、长飞光坊激光、杰普特激光、宝辰鑫（创鑫）激光、大族激光、公大激光、凯普林、思创激光等
- 适合3D打印用的国产振镜厂商：大族思特、菲镭泰克、汉邦激光（自研自用）、正时精控、世纪桑尼、鞍山精准、赛浦森、智博泰克、旭欣智能等
据南极熊统计，目前国产激光器和振镜应用比较多的领域包括齿科金属3D打印、鞋模/模具类金属3D打印等，它们的技术性指标要求相对较低，而且对成本极为敏感，国产可以大幅降低成本，从而得到广泛应用。
在提升打印效率和精度方面，3D打印装备上的核心元器件，例如激光器和振镜等发挥着举足轻重的作用。激光器发光后，通过场镜或者动态聚焦镜高度聚焦能力，和振镜的精准控制，共同铸就了金属3D打印技术的精密性和效率性。因此，深入了解相关核心元器件的功能和优势，对于探索金属3D打印技术的本质至关重要。
△中国易加三维M1550金属3D打印机成型仓，打印尺寸可1550mm*1550mm*1000mm，16束激光正在同时扫描打印。使用的激光器和振镜都是进口
激光器
激光是受激辐射产生的光，因方向性强、能量密度高等特点而具有高加工精度及速度优势，激光加工对传统加工方式不断替代。从产业链环节来看激光产业已形成较为完备的产业链分布。此外，3D 打印、精密加工、激光焊接及激光清先等细分领域发展，进一步拉动了激光行业需求的增长。作为激光产业的核心部件，激光器是产生激光的核心单元，它在设备中价值占比较高。
目前，市面上用于3D打印的主流激光器的种类包括光纤激光器、固体激光器、半导体激光器、二氧化碳激光器，3D打印机会根据成型材料的不同匹配不同的激光器。然而激光器制造作为一个独立的产业，其不断的发展使它们与3D打印工艺的匹配也发生了很大变化。
△CO2激光器
光固化用紫外激光器有很多类型，如早期的氦镉激光器（波长325nm，功率15－50mw）或氩离子激光器（波长351－365nm，功率100－500mw），这些激光器曾应用在初期的SLA设备上，激光束光斑大小为0．05－3mm。目前光固化普遍使用固体紫外激光器，输出波长可以稳定为355nm，输出功率接近800mw且可调，寿命明显增长，只需要更换激光二极管就可继续使用。
△紫外激光器
激光烧结技术采用的是二氧化碳激光器，输出波长为10．6μm，功率可从几瓦到几万瓦，光束质量极高，常被用来加工非金属材料（对该波长具有很高的吸收率）。在激光烧结技术中，CO2激光器的功率选择几十瓦即可，光斑直径在0．4－0．5mm左右，可用来烧结尼龙、覆膜砂、陶瓷以及PS粉末等非金属材料。此外，早期的LOM也是采用CO2激光器进行轮廓切割。
金属打印用激光器经历了几个发展阶段，主要有CO2激光器、YAG激光器以及光纤激光器。CO2激光器的本身输出波长很长，金属材料的吸收率较低，因此早期金属打印用的CO2激光器功率动辄几千瓦。YAG激光器能够输出1．06μm的波长，与金属的偶合效率高、加工性能良好，一台800W YAG激光器的有效功率相当于3KW CO2激光功率。后来随着光纤激光逐步被推向商业市场，YAG激光的弊端便不断显现出来，采用更加集成、电光转换率更高、性能更稳定的光纤激光便成为金属打印发展的一大趋势。
目前，虽仍有较少YAG激光器用于金属打印，但绝对多数已被光纤激光占据市场。SLM用光纤激光输出波长通常为1．07μm，峰值功率有200w、400w、500w、1000w等几个级别，扫描光斑一般为80－150μm以内。 △国外IPG激光在2023年新推出的YLR-U-SM系列500w-2000w单模激光器
在2023年的12月中旬，为了进一步了解国内激光器产业及技术的发展现状，南极熊曾对国内激光器行业的领航者杰普特进行了专访： 国产激光器助力金属3D打印成本突破，南极熊专访杰普特-南极熊3D打印网- 平台 (nanjixiong.com)。杰普特负责人向南极熊表示，目前的激光器市场竞争十分激烈。尤其对于金属3D打印机来讲，它对激光器的要求要比切割焊接一类的要高很多：输出的光束质量，M2需要小于1.1，现在杰普特针对3D打印行业批量出货激光器普遍做到1.06-1.09。市面常见的激光器长时间功率浮动大约在3%-5%；但3D打印一般都会需要长时间工作，功率浮动要求在2%甚至1%以内，特别是如果单台金属机搭载2台或者4台激光器，每台都有一定的误差的话，打印出来的效果就会很差，一致性要求非常高。对于激光器下一代的技术更新，杰普特也进行了布局：（1）AOB激光器：激光输出光斑为环形，内外环激光独立可控，输出光斑单模/多模可调。相较目前主流500瓦激光器的方案，可以让金属3D打印的填充效率提升数倍。（2）多台激光器和多套振镜使用一部控制器来控制，实现1拖4或者更多，提高响应速度和控制精度的同时也可以降低“多头”联调的调节难度。
振镜
扫描振镜是一种用于激光加工领域的矢量扫描器件，具有小惯量、高速扫描、精准定位和闭环反馈控制等特点。它是由光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成，靠两个振镜反射激光，形成 XY 平面的运动，主要配套振镜控制系统使用，是一种专门用于激光加工领域的特殊的运动器件。它具有非常小的惯量，且在运动的过程中负载非常小，只有两个小的反射镜片，分别用不同的电机控制偏转，系统的响应非常快，具有高速扫描、精准定位和闭环反馈控制等特点。
△振镜工作原理
在3D打印场景中，振镜的跳转速度和精度至关重要，特别是在创建轻量化结构和支撑结构时，需要频繁的跳转和高精度，以确保打印表面的光洁度和精度。另外，由于3D打印采用逐层扫描，工件的累计加工时间相比于新能源电池焊接更长，因此对振镜的稳定性和发热控制要求相对较高。南极熊3D打印网是中国3D打印行业专业平台，观察到随着3D打印市场需求量的不断增长，应用于该行业的振镜年复合增长率预计将超过30%。
从2000年到现在，振镜经历了多次的技术迭代，应用范围也在不断扩大。最初，国内应用主要集中在中低端市场，特别是打标行业。随着中国消费电子、半导体和光伏技术的崛起，具有更高速度和精度的高端振镜得到了更广泛的应用。
激光加工控制系统是激光先进制造的核心，由运动控制软件和卡组成，整合多领域技术。其中，振镜系统通过振镜电机实现激光束精准偏转，应用于微纳加工领域，具备高速度和精度。相较于伺服系统，振镜控制系统速度更高、精度更高，适用于小幅面微纳加工。激光加工控制系统是激光加工设备的核心数控大脑，通过融合计算机、激光与光学、运动控制与自动化、视觉追踪等多领域先进技术，配套激光器、高精密振镜等部件实现激光先进制造需求，属于激光先进制造相融合的新一代信息技术领域产业。
振镜控制系统是激光加工控制系统的一种，由振镜电机、激光反射镜片、控制驱动板组成。振镜控制系统将激光束入射到振镜，并通过计算机控制振镜的反射角度，从而实现激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记。振镜电机是一种特殊的摆动电机，其设计思路沿袭电流表的设计方法，振镜电机只能进行偏转运动，偏转角与电流成正比。振镜电机带动可旋转的低惯性镜片进行激光束的定位，并采用位置传感器和负反馈回路设计，充分保证振镜系统具备高水平的扫描速度和重复定位精度。相比于伺服控制系统，振镜控制系统在速度方面最高运动速度可达到3,600米/分钟以上，而伺服控制系统的最高运动速度通常不超过120米/分钟。在精度方面，振镜控制系统的精度要求在0.5um-10um之间，而伺服控制系统的精度要求略低，一般在50um左右。振镜控制系统具有高精度、高速度的特点，主要应用于幅面较小的微纳加工领域。而伺服控制系统适配大面积宏加工，被广泛用于大幅面的切割、焊接，包括钣金加工、汽车制造、航空航天等领域。
振镜的扫描速度也是影响打印效率的核心因素之一。振镜模组的扫描效率越快，便可有效减少激光扫描的调整时间，生产效率也就越高。另外，加工的最大幅面和成型尺寸越大，可以适配更多尺寸的零部件，同时单板也可以批量化生产更多的零件，使得单个零件的产出效率提升成本降低。此外，还有激光器的最大功率、加工层厚等性能参数也在进步，包括工艺规划软件对于剖分效率、打印效率以及使用便捷性的提升，都在助力金属 3D 打印技术的产业化。
我国3D打印装备核心元器件的发展现状
我国工业级增材制造装备核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。增材制造装备核心器件，如高光束质量激光器及光束整形系统、高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件以及部分电气元器件等存在对进口产品的依赖，进口核心元器件主要为激光器、扫描振镜、运动控制系统电气元器件。相当一部分公司设备的部分核心器件对国外品牌存在一定的依赖性。
3D 打印设备所需核心元器件包括振镜、激光器。在华曙高科2022年发布的招股说明书中表示， 其激光器主要从美国、德国进口，采购的进口激光器占激光器采购总额比例分别为 82.88%、 88.01%、86.08%和 69.90%，振镜主要从德国进口，公司采购的进口振镜占振镜采购总额的比例分别为100.00%、98.02%、100.00%和 99.13%，报告期后，对进口振镜的采购比例有所下降，但采购进口核心元器件的占比仍然较高，存在进口依赖风险。公司核心元器件激光器、振镜对进口依赖的程度较高，进口振镜、进口激光器在行业内应用历史较久，性能成熟稳定，知名度相对更高，而国产振镜、激光器的技术成熟度相比进口振镜、激光器还存在一定的差距。公司已逐步在部分中小机型设备中使用国产激光器、振镜，但其长期稳定性相比进口零部件存在不足，公司在短期内无法完成有效的全面国产替代。
△华曙高科招股说明书中，振镜和激光器的采购金额比较高 △2019-2022H1 华曙高科 3D 打印设备业务情况。资料来源：华曙高科招股说明书
目前，中国在振镜控制系统的市场规模目前约20亿元，高端市场占15亿元，预计2025年有望达到25亿元。2021年振镜控制系统销量增长35%，销售规模达3.86亿元。据《2021年中国激光产业发展报告》，2020年低功率精密加工控制系统的销售数量为23.85万套，受益于激光加工设备需求的持续高增，2021年振镜控制系统销量增长35%；按照振镜1,200元/套的均价计算，2021年振镜销售规模达3.86亿元。
据维科网产业研究中心统计，2014-2022年，我国振镜生产企业数量由 10 家以内增长至超过 20 家。振镜控制系统中低端市场已经实现国产化，而高端应用仍然由国外企业主导，在高精度标刻、划线、钻孔领域存在差距。国产高功率激光控制系统市场规模同比增加85.7%，高于中低端激光控制器增速。近年来国内供应商快速发展，振镜控制系统中低端市场已经基本实现国产化。而在高端应用领域，目前主要由美国CTI、德国Scanlab和Raylase等国外企业占据。在高精度标刻、划线、钻孔领域，国产振镜与国外厂商仍有较大差距。
振镜控制系统位于产业链中游，应用涵盖消费电子、汽车制造、机械制造、锂电池等领域。政策支持和激光技术发展驱动市场增长，光伏、新能源和3D打印领域为振镜应用提供了新机遇，市场前景广阔。振镜控制系统是产业链中游的关键器件，与激光器、机械系统等相互配合。振镜控制系统的上游则包括光源材料、光学元器件以及电容电阻等其他材料。从直接上游来看，激光控制系统供应商需要对接芯片厂商、PCB厂商以及相关线材供应商，从目前国产替代情况来看，部分芯片可以实现国产化，但部分仍倚重德州仪器等国际供应商。PCB及线材基本国产化，且供应充足，价格透明。振镜控制系统的下游是激光切割、焊接、打标、清洗、3D打印等激光设备，其中激光切割设备、激光焊接设备、激光打标设备产量占比分别为38%、28%、15%，合计超过80%。从下游应用情况来看，振镜控制系统主要应用于消费电子、汽车制造、机械制造、锂电池制作、航空航天、轨道交通、医疗等领域。
尽管我国的激光器/振镜产品在国际市场上尚未形成有效的竞争态势，但国内已经有许多制造商在振镜控制系统领域做出了突破，其中的典型代表有：
- 金橙子：国内振镜控制系统领军企业，股权结构稳定，创始人均具有深厚的技术背景，按2020年振镜控制系统出货量计算，金橙子公司市占率为32%，大族思特市占率为9%，而海外公司合计市占率仅为9%。公司业务涵盖激光加工控制系统、激光系统集成硬件、激光精密加工设备，其中激光加工控制系统收入占比约七成，高精密振镜产品以及激光同服控制系统产品目前正处于市场推广阶段；
- 大族思特：国内首家研发成功数字驱动板的振镜企业，是一家拥有资深振镜专家研发团队的振镜企业，目前已经基本实现核心部件全国产化、关键技术自主研发。大族思特坚持研发导向，服务市场的理念，走中高端产品的道路，已经有能力走出国门，在中高端市场和国外同行同台竞争。大族思特产品在很多高端应用场景已经成功替代进口产品，如精密打标、焊接、切割、3D打印、显视面板、极耳切割、PCB加工、太阳能光伏、医疗美容和检测等行业；
- 金海创：成立于2001年，是专业从事光学扫描振镜及其控制系统的研发、生产和销售于一体的高新技术企业。其产品广泛应用于激光标刻、医疗美容、激光3D打印、激光清洗、激光焊接、激光切割等多个领域，是振镜行业的重要参与者之一，其产品包括系列化的光电数字振镜系统和其他相关技术解决方案；
- 柏楚电子：国内激光切割运控软件龙头，在中低功率激光切割软件市占率第一，高功率市占率快速提升;同时拓展智能激光切割头及钢构智能焊接系统，打开中长期成长空间；
- 锐科激光：国内工业激光器龙头，主业保持较强市场竞争力，行业价格竞争趋缓、公司积极降本，盈利能力触底反弹，同时，积极布局高端制造、海外出口、特种市场等，巩固行业龙头地位；
- 长光华芯：国内激光芯片头部企业，公司持卖加大高功率半导体激光芯片国产替代进程，同时在激光雷达、光通信芯等场景产品研发验证中；
- 维宏股份：国内控制系统知名公司，近年毛利率始终保持在较高水平，公司目前在重点发展激光切割市场；
△大族思特
3D 打印核心元器件未来国产化发展趋势
2020年科技部、国家发改委等五部门发布政策，长期支持关键核心技术的研究，其中就包括3D打印和激光制造等领域。南极熊认为，随着激光加工设备市场规模持续增长，随着激光设备在先进领域的应用增加，未来振镜市场规模有望继续扩大，这主要出于以下几点原因： - 政策加码：2020年科技部、国家发改委等五部门发布《加强“从0到1”基础研究工作方案》，对关键核心技术中的重大科学问题给予长期支持。重点支持3D打印和激光制造、重点基础材料、先进电子材料、制造技术与关键部件、高端医疗器械、重大科学仪器设备等重大领域，推动关键核心技术突破。
- 激光工艺拉动需求增长：受下游行业需求驱动，激光加工控制系统发展空间广阔。据《2021年中国激光产业发展报告》，激光工艺持续发展带动激光加工渗透率持续提升，2012-2021年，我国激光加工设备市场规模 CAGR 达19.2%，其中，2021年市场规模达821亿元，同比提升18.5%。
- 先进领域带动市场规模提升：从目前激光设备的应用领域来看，激光切割仍是核心应用领域，占据整体规模的四成以上，焊接、打标、半导体的应用则位于第二梯队，分别占约13%，13%，12%。未来随着激光设备广泛应用于复杂加工领域，切割占比将会略有下降，3D打印等先进领域将有所增加，从而带动振镜市场规模的提升。
总的来说，3D打印激光器等核心部件的自主研发和国产化替代是未来我国需要长期投入并坚持的领域。核心部件的技术突破将推动我国3D打印技术及相关产业的快速发展，确保技术的安全性和可控性，减少对外部供应链可能带来的潜在风险，提高技术自主性，提高国内相关行业的竞争力，同时为国内制造业的可持续发展奠定坚实基础。
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