未来制造系列⑤ | 激光制造：驱动先进制造新纪元

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写在前面的话

2024年1月，国家工信部等七部门联合发布了《关于推动未来产业创新发展的实施意见》。其中，明确将“a未来制造”作为未来产业重点布局的细分赛道，提到“发展智能制造、生物制造、纳米制造、激光制造、循环制造，突破智能控制、智能传感、模拟仿真等关键核心技术，推广柔性制造、共享制造等模式，推动工业互联网、工业元宇宙等发展”，对未来制造方向进行了战略部署。未来制造，因其涉及的新技术、新设备、新材料、新工艺、新模式在制造业领域的应用，从而成为引领制造业转型升级、提升制造能力与竞争力的核心关键，而新型制造方式，正是新型工业化道路的重要支撑，也是激发新质生产力的强大动力。

为进一步分析未来制造的发展趋势以及赋能制造业转型升级的作用机理和影响效应，本系列重点围绕未来制造的细分领域展开分析。本篇为系列文章第五篇，阐述了激光技术在制造领域的主要应用、发展特征及全球发展趋势。

作者：王诗悦、揭永琴

字数：4k+

时长：10min

随着科技和工业的发展，常规加工工艺越来越难以满足高精密工业发展的要求。在此背景下，激光技术作为一种高精度、高度可控、无损加工的先进工艺应运而生，包括制造领域的激光切割、激光焊接、激光打标、激光刻蚀、激光打孔等工艺,以及测量和检验领域中的激光光刻、激光检测、激光控制等技术，被广泛应用于电子产业、汽车制造、飞机制造、轨道交通和机器制造等行业。

以“四超”特征

为制造业广泛赋能

激光是通过人工方式，用光或放电等强能量激发特定物质而产生的光。激光产生于受激辐射后释放大量运动频率、方向、相位相同的高能光子，具备亮度高、相干性好、单色性好、方向性强和高能量密度等特点，应用于加工时具有精度高、速度快、无污染、原材料消耗低等优势。近年来，激光制造技术应用正加速向航空航天、机械制造、石化、船舶、冶金、电子和信息等领域扩展，在现代工业生产中发挥着越来越重要的作用（激光制造产业链图谱如图1所示）。

图1 激光制造产业链图

资料来源：《中国激光产业发展报告》

近年来，随着高功率激光器技术的不断突破，激光加工技术被广泛应用于高端制造、信息通讯、生物和医疗健康等产业以及军事工业、国防安全等领域（如图2所示）。激光在工业制造领域的应用主要体现在利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行加工处理。按照激光束对材料的作用效果可以划分为：激光材料去除加工、增长加工、改性加工、激光材料精细加工以及其他加工等。具体包括：激光切割、激光焊接、激光钻孔、激光雕刻、激光刻蚀、激光熔覆、激光清洗、增材制造、激光微纳制造等。其中，激光切割及焊接作为基础工艺，在工业加工中应用占比较高。

表1 激光技术分类及其应用场景

图2 激光制造应用领域图谱

综合来看，激光制造的主要特征体现以下四个方面：一是超高加工精度。随着激光技术朝着高功率、高亮度、窄脉宽的方向前进，在精密复杂器件制造过程中得到越来越多的应用，其中皮秒、飞秒激光器已能够实现微米甚至纳米级别的精细加工。二是超广材料适用性。激光束能量密度极高，能够在极短时间内将能量传递给材料实现快速加工，还可以通过调整激光功率、波长、聚焦镜头等参数来满足不同材料的加工需求。三是超高灵活性。激光加工系统可以通过计算机编程实时调整激光束的方向、速度和功率，实现复杂的工艺设计和加工路径，与其他自动化、智能化系统的高度集成进一步拓展了激光技术适用的应用场景。四是超低损耗性。激光加工过程中，一方面激光束与材料之间无需物理接触，减少了加工过程中的材料破损风险，有利于保持材料的原始性能。另一方面，激光加工过程中无需使用切削液等辅助材料，减少了环境污染和废液处理成本。

发展趋势：

技术持续升级，国产替代加快

随着全球工业制造自动化、智能化发展，激光加工工艺和控制技术不断迭代升级，凭借独特和优质的加工特性获得广泛应用，成为现代工业发展不可或缺的重要技术支撑。据Precedence Research统计，2023年全球激光加工市场规模为222.7亿美元，预计2030年将增至378.8亿美元。

图3 2022-2030年全球激光加工市场规模预测（亿美元）

总体来看，激光制造主要呈现以下发展趋势：

（1）激光技术由中低功率向高功率升级

随着下游客户对加工要求逐渐提高，较低功率和较差光束质量的激光器将无法满足市场新的要求，且应用领域从传统通用领域逐步拓展至高端制造专用领域（如航天航空、动力电池、3C、光伏等）。

（2）激光制造渗透率有望加快提升

随着全球制造业向精细化、智能化、绿色化发展，激光制造凭借其精度高、柔性强、节约环保等优点，逐步渗透到显示面板、消费电子、集成电路等精细微制造领域。据统计，我国激光制造应用比例为30%，与美日德等世界制造业大国（超40%）相比差距明显，仍具有很大提升空间。

（3）核心部件国产替代不断提高

随着国内企业技术水平的增强，光纤激光器等核心器件逐步实现由依赖进口向自主研发、替代进口到出口的转变，但高功率激光控制系统、高端振镜控制系统、高功率激光芯片等高端技术仍掌握在欧美国家手中。未来高端核心元器件、工艺替代进口产品、技术趋势明显。

（4）人工智能与激光制造深度融合

智能化激光制造装备需求空间巨大，通过人工智能技术赋能，根据客户需要实现多环节、多工序加工的激光加工智能制造装备产线日益受制造业企业的青睐，将大幅提升整体生产效率。同时，人工智能技术可对激光器和加工头中的光学元件进行监控，并提供来自交互区的数据。

（5）激光增材制造成为新方向

激光增材制造技术的发展将从目前的单一材料、力学性能为主，朝着多材料、新结构及多功能等方向持续突破。未来，以金属材料为主的激光增材制造技术更加受到关注，其材料层次向高熔点、高硬度合金的金属构件制造，以及单一合金或多种合金的混合、多层次的直接制造发展，其制造性能层次向高精度、高性能，或大应力、大载荷复杂件发展。

竞争格局：

发达国家强化高精尖战略部署，

国内实力快速增长

近年来，美国、日本、欧洲等发达国家和地区纷纷将激光技术作为重要尖端技术进行战略布局，并制订了一系列激光产业发展的促进计划，如美国的“激光核聚变计划”、德国的“光学促进计划”、英国的“阿维尔计划”、日本的“激光研究五年计划”等，以提高本国制造能力和国际竞争力。

表2 世界主要国家促进激光产业发展的相关举

图4 全球激光制造产业格局

（1）美国：激光技术处于全球领先地位

美国是激光技术的发源地，也是全球激光技术最先进的国家之一，在高功率激光、超短超强激光等研发方面保持全球领先，并广泛应用于工业、医疗和军事领域。美国围绕激光光学、软件、加工解决方案、激光仪器等形成了完整产业链，集聚各类激光加工企业上千家，包括相干（Coherent）、埃培智（IPG）、万机仪器（MKS）、恩耐（nLight）、诺万特（Novanta）、大通激光（AccessLaser）、索雷博（Thorlabs）等知名企业。持续的政策支持带动了美国航天航空、高端芯片等领域的激光加工应用发展，例如美国通用电气公司通过激光3D打印技术生产制造了先进涡轮螺旋发动机的关键部件，使得发动机减重5%，同时燃油效率提高了1%。

（2）欧洲：以德国为代表，在激光材料加工设备方面走在世界前列

欧洲在激光器、加工头、数控系统等高端核心元器件上占据技术垄断地位，其中德国用于加工技术的激光器占全球40%的市场份额。以德国为例，汇集了通快、普雷茨特、梅塞尔等一批顶尖激光智能装备企业，其中通快集团建立了全球最为先进的激光工艺试验中心，2022/23财年销售额达到54亿欧元，其中光纤激光器全球占比约20%。此外，德国科研力量雄厚，成立了9个国家级激光中心，广泛开展激光工程应用研究。弗劳恩霍夫激光技术研究所、Nutech研究所、汉诺威激光研究所、IWB研究所是国际上进行激光技术应用开拓研究的专业顶尖机构，其在激光切割、焊接、熔覆、激光再制造等方面的工艺成果已通过技术转移转化，广泛应用于汽车制造和航空航天等高端领域。

（3）日本：激光精密加工系统占据先发优势

日本是世界公认的激光与光电产业技术强国，得益于激光技术与数控机床技术的紧密结合，在激光材料加工设备研发及应用领域处于世界领先地位，如在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修。日本拥有生产CO2激光器的厂商60余家，以三菱电气、松下电气、天田和山崎马扎克为代表，其产品占日本激光加工市场70%左右。其中，山崎马扎克投入智能化激光设备开发，集智能化准备功能、监测功能及切割功能于一体，提高加工质量。东京依托东京大学、东京工业大学的科研力量，集聚了索尼、东京电子、东京光电等知名企业，是日本重要的激光与光电产业发展基地。

（4）中国：政策导向大力支持，未来制造布局升级

在经历上世纪七十年代近十余年发展停滞后，我国激光产业化迎来快速发展期，随着一批有竞争力的公司的诞生，我国的激光产业实力回到国际前列。据Laser Focus World统计，2022年我国激光器市场规模增长至约147.4亿美元，全球市场占比达到73.3%。

产业政策支持增强发展优势。近年来，我国先后在“中国制造2025”及国家中长期科技发展规划、国家重点研发计划等进行布局和发展激光技术，以提升我国在全球市场中的竞争力。出台一系列政策对激光制造发展进行支持。2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》将激光技术列为我国未来15年重点发展的八项前沿技术之一；2012年《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》提出加快推进激光显示等新一代技术研发和产业化；2016年起，科技部在“十三五”、“十四五”计划中，连续设立“激光制造与增材制造”国家重点研发计划重点专项，提出要“突破激光制造与增材制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术；突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备”。

表3 我国激光产业相关政策

产业集聚效应凸显。从地域分布来看，我国激光产业集聚区主要分布在华中地区（武汉）、珠三角（深圳、广州、东莞）、长三角（上海、苏锡常、温州）和环渤海等，形成了各具特色、优势互补的产业发展格局。

当然也要看到，我国在高精尖激光器等方面与国际还有一定差距，如激光制造装备已经达到国际先进水平，但所需的高功率激光控制系统国外倍福、PA、西门子等厂商仍占据主流地位，高端振镜控制系统主要由德国 Scaps和Scanlab 等国际厂商主导，国产化率仅30%左右。另外，相关数控技术至少落后国际前沿约10年。尤其是激光数控系统，仅德国倍福（Beckhoff）、PowerAutomation和西门子（Siemens）、日本Fanuc和西班牙Fago等专业公司开发的激光加工数控系统就占了50%以上市场份额。

表4 激光产业集聚区发展情况

图5 国内激光制造企业分布图

展望建议：

以激光技术突破引领未来制造

（1）

布局一批重量级的功能平台

坚持面向国家重大战略需求、面向国民经济主战场和面向国防高技术的定位，结合上海航空航天、新能源汽车等重点产业需求，布局国家级工程实验室、研发中心和应用平台，如建设航空航天高端激光制造装备及工艺研发中心、海工船舶高端激光制造装备及工艺研发中心等具有行业影响力的先进激光制造研发平台，布局一批重点行业的先进激光应用中试研发平台，争创国家级激光制造业创新中心。

（2）

开展先进激光制造技术攻关

立足激光制造重点行业，围绕智能激光制造工艺、核心部件和成套装备实施关键技术研发，取得一批具备转化条件的先进激光制造技术成果。围绕航空海天、海工船舶等高端装备制造业以及新能源汽车等重点产业，着力在轻量化新材料的激光焊接、超高功率超短脉冲激光高效精密制造、重频大能量固体激光冲击强化的工艺技术、核心部件和智能化装备集成方面取得重大突破，实现相关成果转化和示范应用。

着力在高功率激光智能制造系统、激光微纳制造成套装备、高性能激光器、光变换与光电传感器件、半导体光子芯片和光学材料等产业链上中下游五大主要关键核心技术研究方向上，突破一批“卡脖子”技术，抢占一批前沿技术制高点，建成世界一流激光智能装备产业科技协同创新基地。

（3）

深化激光装备及产品研制

一是研制激光先进制造工艺及装备。面向航空航天、能源环境、医疗健康、消费电子等领域对激光精密微细加工制造的需求，研发硬脆材料激光精密焊接技术、航空航天复合材料激光精密加工技术、医用材料激光精密微细加工技术、激光微纳增材制造技术等，同时研发相应的激光智能制造装备，为航空航天、能源环境、医疗健康、消费电子等领域提供激光先进制造系统解决方案。二是研制极限制造工业激光器。面向智能制造、航空航天、地理信息、环境生态等领域对高端激光核心器件的需求，研发超高平均功率、超大脉冲能量、超短脉冲宽度、超短激光波长，具有极限制造能力的激光器件，提供自主知识产权的高端激光核心器件。

（4）

推动激光技术重点行业应用

随着激光行业的技术不断提升，下游应用行业使用率逐渐提升，需进一步推动激光技术的重点行业应用。一方面，加强装备制造领域应用，强化高功率激光设备在航空、航天、汽车、高铁、船舶等高端装备制造领域的切割、焊接、测量、打标等环节中的应用。另一方面，推动精细微加工应用，深化超短脉冲激光在光伏、液晶显示、半导体、LED、OLED等领域的钻孔、刻线、划槽、表面纹理化、表面改性、修整、清洗等环节的应用。