激光制造

据激光加工专委会统计，2023年中国激光产业产值约980亿元，直逼千亿元大关。 据MRFR数据显示，预计2026年全球激光加工市场规模将达到61.1亿美元。 中国激光产业正处于成长期，预计2024-2029年，我国激光产业市场规模将以20%左右的增速增长，到2029年产业规模或超7500亿元。可见，激光产业有着巨大的市场潜力。激光技术市场需求已成为国内外企业重点关注的话题之一。我国激光技术的市场需求主要在哪里？中国激光技术目前已应用于光纤通信、激光切割、激光焊接、激光雷达、激光美容等行业，涉及多个领域，形成了完整的产业链。激光切割激光焊接激光美容比如在工业制造领域，激光已成为需求极大的一种工具。用户可利用激光束对材料进行切割、焊接、打标、钻孔等，这类激光加工技术已在汽车、电子、航空、冶金、机械制造等行业得到广泛应用。新能源汽车制造激光打标激光钻孔激光这个“潜力股”跟热成像有关系吗？在激光这个庞大的产业链中，激光器和激光设备两个环节的竞争尤为激烈。激光器是产生、输出激光的器件，是激光设备的核心器件。从激光器来看，光纤激光器由于具备电光转换效率高、光束质量好、批量使用成本低等优势，可胜任各种多维任意空间加工应用，成为目前激光器的主流技术路线，在工业激光器中占比过半。对此值得关注的是，在光纤激光器的生产质检过程中，热成像仪可以发挥极大的应用价值。比如在大功率光纤激光器的制造过程中，严重的缺陷会导致光纤熔接处异常发热，从而对激光器造成损坏或烧掉热点。因此，光纤熔接接头的温度监测是光纤激光器制造过程中的一个重要环节。使用红外热像仪可以实现对光纤熔接点的温度监测，从而判断产品质量是否合格。在光纤激光器生产质检中，热成像还可以如何发力？先简单了解下，光纤激光器的组成和工作流程：注解：单条激光的功率有限。在泵浦和合束器的双重加成下，激光的输出功率会变得更大。在上述流程中，热成像可以有如下应用：① 光纤熔接点质量监测光纤之间会有很多焊接点，光纤熔接处可能存在一定尺寸的光学不连续性和缺陷，借助热成像仪可以监测光纤熔接点的温度有无异常，判断熔接点是否存在缺陷，提高产品质量。② 泵浦检测泵浦在工作时会产生大量热量，其温度会直接影响芯片输出的激光波长，使用热成像仪可以对每台泵的来料进行质量检测，保证激光器质量。③ 合束器检测通过热成像仪，既可以判断合束器温度是否异常，也可以检测合束聚合后，输入和输出光纤受热是否均匀。

近日，科学技术部发布“增材制造与激光制造”重点专项2022年度项目申报指南。本重点专项总体目标是：到 2025 年，使我国增材制造与激光制造成为主流制造技术之一，总体达到世界一流，基本实现全球领先，在战略新兴产业、新基建、大国重器中发挥不可替代的重大作用。同时，基本实现增材制造与激光制造全产业链主体自主可控，形成系列长板技术和一批颠覆性技术，并汇集为行业整体优势，为一批领军企业奠基强大的国际技术竞争力，高端装备/ 产品大批进入国际市场，实现大规模产业化应用，在制造业转型升级中发挥核心作用。2022 年度指南部署坚持问题导向、分步实施、重点突出的原则，围绕“基础理论和前沿技术、核心功能部件、关键技术与装备、典型应用示范”全链条部署任务。拟启动 28 项指南任务， 拟安排国拨经费 3.58 亿元。其中，围绕难熔金属材料增材制造、 超快激光制造中光子—电子—晶格相互作用观测与调控等技术方向，拟部署 2 个青年科学家项目，拟安排国拨经费 400 万元，每个项目 200 万元。围绕个性化医疗器械制造、医疗植入物表面微功能结构制造等技术方向，拟部署 5 个科技型中小企业技术创新应用示范项目，拟安排国拨经费 1000 万元，每个项目 200 万元。 共性关键技术类项目，配套经费与国拨经费比例不低于 1.5:1。应用示范类项目鼓励产学研用紧密结合，充分发挥地方和市场作用， 配套经费与国拨经费比例不低于 2:1。项目统一按指南二级标题（如 1.1）的研究方向申报。除特殊 说明外，每个方向拟支持项目数为 1—2 项，实施周期不超过 5 年。申报项目的研究内容必须涵盖二级标题下指南所列的全部研究内容和考核指标。基础研究类项目下设课题不超过 4 个，项目参与单位总数不超过 6 家；共性关键技术类和应用示范类项目下设课题数不超过 5 个，项目参与单位总数不超过 10 家。项目设 1 名项目负责人，项目中每个课题设 1 名课题负责人。 青年科学家项目不再下设课题，项目参与单位总数不超过 3 家。项目设 1 名项目负责人，青年科学家项目负责人年龄要求， 男性应为 1984 年 1 月 1 日以后出生，女性应为 1982 年 1 月 1 日 以后出生。原则上团队其他参与人员年龄要求同上。青年科学家项目不再下设课题，项目参与单位总数不超过 3 家。项目设 1 名项目负责人，青年科学家项目负责人年龄要求， 男性应为 1984 年 1 月 1 日以后出生，女性应为 1982 年 1 月 1 日 以后出生。原则上团队其他参与人员年龄要求同上。 科技型中小企业项目要求由科研能力强的科技型中小企业 牵头申报。项目下不设课题，项目参加单位（含牵头单位）原则 上不超过 2 家，原则上不再组织预算评估，在验收时将对技术指 标完成和成果应用情况进行同步考核。科技型中小企业标准参照 科技部、财政部、国家税务总局印发的《科技型中小企业评价办法》（国科发政〔2017〕115 号）。1. 基础理论和前沿技术 1.1 跨尺度自润滑复合结构增材制造（基础研究类）研究内容：针对我国航空航天和高端装备对高度集成、精准按需润滑以及润滑异形件的设计与制造需求，开展复合润滑功能组件整体化增材制造研究，研究增材制造专用自润滑功能材料设计制备、跨尺度润滑功能结构、尺寸突变异形构件一体化精密制造关键技术，研发面向增材制造的自润滑复合材料体系，探索精准按需润滑结构增材制造新原理、新工艺，研究面向增材制造的可控自润滑表界面材料精准设计与构筑新方法，建立跨尺度增材 制造平台，发展润滑功能准确定制化系统设计与一体化制造技术。1.2 飞秒激光—电化学复合微纳增材制造（基础研究类） 研究内容：针对三维复杂金属微纳结构的飞秒激光辅助定域电化学增材制造，探索微结构无掩膜激光—电化学双耦作用定向诱导粒子原位增材制造机理，研究飞秒激光诱导下定域电化学沉积组织—结构—功能一体化微纳制造新方法，研究激光—电化学复合能场亚微米复杂构型和微米功能结构阵列制造、纳米体元与微米构型精准调控等技术。1.3 材料组分三维精确可控的粉末床熔融金属增材制造（基 础研究类） 研究内容：研发面向粉末床熔融增材制造的在线多组分材料精确添加技术，研究材料组分三维可控的非均质粉末床熔融增材制造工艺特性、材料原位冶金行为、材料梯度/界面行为和组织性能演化规律，明晰非均质材料构件成形过程中的应力—形变演化规律，建立非均质材料梯度/界面行为、组织与性能协同调控方法，研发材料成分过渡区间精确调控和后续热处理等关键技术，实现材料组分三维精确可控构件的创新设计、制造及评价。1.4 柔性光电器件的激光光场调控微纳制造（基础研究类） 研究内容：面向柔性光电器件中的关键微纳结构，研究激光时域/空域/频域光场调控方法，探索激光调控光场与柔性光子器件材料相互作用的新现象与新效应，研究激光远场与微腔等近场光学效应结合的宏微纳跨尺度无掩膜加工新技术，研制远场—近场复合光场的无掩膜高效激光微纳制造装备。1.5 异质仿生结构设计及一体化增材制造（基础研究类） 研究内容：探索仿生结构中材料/结构的多重耦合行为与机制，研究与高效减振、智能变形、损伤自修复等功能需求匹配的仿生结构模块化设计方法，揭示基于异质材料增材制造的仿生功能模块化调控规律，发展功能模块化构件的多维度、多尺度和异质材料的仿生设计技术；研究异质材料体系下模块化仿生构件的一体化增材制造关键技术，研发面向增材制造的宏微构型—异质材料仿生结构设计、仿真与工艺规划平台，发展多场复杂应用环 境下增材制造宏微构型—异质材料仿生构件的性能评价技术。1.6 功能化活性心肌组织增材制造（基础研究类） 研究内容：针对心肌组织损伤治疗，开展活性心肌组织高精度增材制造及其功能再生方法研究。研究功能化活性心肌组织复 杂微结构系统的仿生设计方法；研究具有电传导能力的活性心肌组织增材制造新原理与新工艺；研究增材制造活性心肌组织的体外三维定向排布生长与高频同步跳动方法，以及体外活性心肌组织电信号特征与其生物功能的作用关系；研究大型动物大面积心肌病变缺损修复的考核评价方法。1.7 面向前沿探索制造新原理（青年科学家项目） 研究内容：针对新能源、新材料等新兴产业领域重大需求， 重点开展难熔金属材料增材制造、超快激光制造中光子—电子— 晶格相互作用观测与调控、喷墨共形打印、复合制造等前沿制造新原理新方法研究。2. 核心功能部件 2.1 激光粉末床熔融增材制造在线监控与质量评价技术（共性关键技术类） 研究内容：研究合金成分、跨尺度微观组织/缺陷、应力/形变状态与激光粉末床熔融增材制造过程特征信息的相互关系；研究增材制造熔池动态行为、非均质宏/微观组织特征的多物理场在线监测方法和在线质量评价技术体系，研发铺粉状态快速准确识别与分类、熔池特征分析及质量预判、逐层熔凝区域组织/缺陷识别和轮廓变形分析、质量预警及多参量复合调控等关键技术；发展基于在线监测数据的多信息融合及高效率深度学习模型，明晰 工艺参数—特征信息—制造质量关联关系，研发基于过程特征的高效在线质量评价和多参量交互质量控制方法。2.2 大型复杂构件制造过程在线检测与智能调控技术（共性关键技术类） 研究内容：面向重大装备的高性能焊接与增材制造，研究大型复杂结构制造过程中的在线三维形貌及变形的跨尺度光学测量技术、制件与制造加工头的多自由度位姿测量技术；研究制造过程中熔池特征尺寸和温度场表征、制造缺陷非接触式在线检测技术；研发从微观位错演化到宏观结构件变形失效的跨尺度增材制造热力模拟预测技术和方法；揭示制造工艺与位错—晶界多级微 结构、结构变形和制造缺陷的关联关系；研究面向大型结构的表面形貌、结构变形、构件温度和制造缺陷等成形质量自适应闭环 控制系统与装备。2.3 增材制造构件长寿命服役行为表征与调控关键技术（共性关键技术类） 研究内容：研究增材制造构件在高温环境与复杂应力条件下的长寿命服役性能表征方法，典型增材制造构件/材料长寿命试验标准与疲劳数据库；研究增材制造构件微结构/缺陷与长寿命服役行为的关联机制，制造工艺—微结构/缺陷—服役性能的映射关系；研究提高服役寿命的增材制造缺陷/微结构在线调控技术，发展高服役性能构件增材制造工艺的优化方法；研究增材制造构件长寿命疲劳的评估技术。2.4 制造用高性能高功率飞秒激光器（共性关键技术类） 研究内容：探索飞秒激光产生、放大、线性和非线性调控过程的动力学机制，以及高功率大能量飞秒激光放大时由于增益导致的脉冲宽度劣化机制；攻克高单脉冲能量飞秒激光热管理、模式控制、高效率长寿命飞秒频率转换等关键技术，研究倍频产生高功率紫外飞秒激光参量的稳定控制及优化技术，开展高功率大能量飞秒激光器模块化设计和系统集成技术研究。2.5 制造用高性能高功率皮秒激光器（共性关键技术类） 研究内容：开展皮秒激光增益分布优化、模式控制机制和有效热管理等技术研究，攻克均匀泵浦、长寿命皮秒锁模及非线性抑制等关键技术，研究倍频转化效率提升、紫外皮秒激光光束质量控制及延寿等技术，研制高稳定性高功率红外、紫外皮秒激光器产品。3. 关键技术与装备 3.1 非均质材料飞秒激光制造技术与装备（共性关键技术类） 研究内容：面向复杂构件涉及的复合、多层膜、多孔等非均质材料的高性能加工共性需求，建立飞秒激光加工过程中光子能量吸收、电子状态变化、等离子体喷发、成形成性等多尺度连续观测系 统；从电子层面研究飞秒激光时/空/频域协同整形的非均质材料加 工新方法，突破损伤控制、选择性加工等关键工艺技术，研发飞秒激光跨尺度柔性加工装备和三维复杂构件微细加工装备。3.2 陶瓷多材料连续成形光固化增材制造技术与装备（共性关键技术类） 研究内容：研究高固含量/低粘度陶瓷打印浆料流变机理与稳定性优化方法，攻克陶瓷光固化增材制造精度光散射调控技术。 研发陶瓷多材料连续成形光固化增材制造技术与装备，开展高效加工策略与成形效能评估研究，开发材料—工艺—装备全链条性能评价方法。3.3 大能量高重频脉冲激光智能清洗技术与装备（共性关键技术类）研究内容：研究纳秒脉冲能量输出能力提升的新方法，开展大能量高重频脉冲激光光束控制、模式调控、高功率关断和多级放大等技术研究；揭示大能量纳秒脉冲激光高效高质清洗机制， 攻克基于机器视觉的精确定位、智能选区、残留物快速识别、复杂曲面路径智能规划、双光束联动无缝无重叠拼接等关键技术， 研制具备复杂曲面结构高效循环作业的激光智能化清洗成套工艺与装备。3.4 薄壁弱刚性构件激光电解复合高效铣削加工技术与装备 （共性关键技术类）研究内容：针对薄壁弱刚性整体复杂构件制造瓶颈，研究气液环境下激光束流作用过程、超高电流密度电化学加工材料去除机制及成形规律；研究激光—电解复合铣削制造新方法，攻克复 合能量场形性调控、束流流域设计等关键技术；研制大型构件激 光—电解复合铣削加工装备。3.5 结构功能部件飞秒激光精密制造技术与装备（共性关键技术类）研究内容：针对航空航天等领域结构功能一体化部件精密制造的需求，揭示飞秒激光光束运动参量调控的微结构控形控性制造机制，研究制造结构的几何特征、质量对部件功能和服役性能的映射关系；发展“压敏、密封、润滑”等功能部件飞秒激光制造方法，攻克激光脉冲三维整形、内腔光束运动姿态参量控制等关键技术，研制飞秒激光制造成套工艺与装备。3.6 海洋装备水下原位高效增材修复技术与装备（共性关键技术类）研究内容：针对海洋装备在服役过程中的修复需求，研究适用于水下原位增材修复的专用材料；研发复杂水下环境空间重构、 姿态感知和损伤区域快速三维测量技术与装备；研发水下空间约束环境下的增材修复过程规划、组织性能调控、修复部位服役性 能预测等技术；研究应急响应条件下的水下结构可修复性评价和修复方案智能决策方法；研发水下现场环境修复工艺和装备。3.7 大型点阵结构无支撑高效增材制造技术与装备（共性关键技术类） 研究内容：研究面向增材制造的多功能大型点阵结构设计技术；研究点阵结构的无支撑高效增材制造、高性能连接、多层点阵夹芯结构制造、结构变形控制等关键技术；研究大型点阵夹芯结构的无损检测技术；研发规模化低成本高效增材制造装备。3.8 大幅面纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备 （共性关键技术类） 研究内容：研究面向大型纤维增强热塑性复合材料构件的多丝束挤出增材制造成形机理及翘曲变形行为，发展大型纤维增强热塑性复合材料构件设计方法，攻克大型纤维增强热塑性复合材料增材制造的路径优化、多材料性能匹配、多工艺参数匹配、界面结合优化、成形精度控制等关键技术；研究增材制造复合材料构件非降级回收再制造技术和构件的性能评价方法；研制大型纤维增强热塑性复合材料构件增材制造装备。3.9 超强韧中熵合金构件增材/强化/减材复合制造（共性关键技术类）研究内容：研究适用于增材制造的超低温超高强韧中熵合金高通量设计与性能验证方法；研究中熵合金在复合制造过程中形性调控机制与方法，以及表面损伤动态演变机制及抑制理论，研发激光增材/强化/减材复合制造工艺与装备，研究复合制造中熵合金在室温、液氧和液氮超低温环境下的强韧化机制，以及疲劳断裂等性能评价方法；研究面向服役环境的复合制造中熵合金构件重复使用评估体系。3.10 大型高性能结构件增等减材复合绿色智能制造（共性关键技术类） 研究内容：研究增材/等材/减材复合制造形性协同控制机理 和增材/等材/减材一体化复合制造技术；研究复合制造工艺—组 织—缺陷—性能的一体化映射关系，研发大型结构件综合力学性 能、疲劳性能提升关键技术；发展全过程智能化在线质量监控系统，研发大型复合绿色智能化制造装备。4. 典型应用示范 4.1 无人机十米级机身承力结构整体化增材制造示范应用 （应用示范类） 研究内容：针对高性能大型无人机研制需求，研究基于增材制造的大尺寸机身关键构件一体化设计方法；突破大尺寸精密复杂构件增材制造跨尺度形性主动调控及后处理关键技术；研究增材制造大尺寸机身整体构件无损检测评价关键技术；建立基于增材制造的大尺寸机身整体构件“材料—设计—工艺—检测—评价” 全流程技术体系。4.2 多材料功能梯度结构增材制造在无人潜航器领域应用示 范（应用示范类） 研究内容：针对万米深海无人潜航器应用需求，研究面向增材制造的无人潜航器多材料轻型耐压壳体的仿生优化设计方法， 包括无人潜航器壳体仿生结构、多材料梯度耐压结构、壳体外表面防生物附着结构等设计方法；研究高分子、陶瓷、金属等多材 料增材制造工艺及形性控制方法；研发无人潜航器多材料一体化智能增材制造装备，包括金属及高分子材料增减材一体化装备， 陶瓷材料高效增材制造装备；研究高分子、陶瓷、金属等多材料一体化增材制造构件的检测技术和评价方法。4.3 大型关重结构件激光高效高稳定增材制造工程应用示范 （应用示范类） 研究内容：研究面向规模化生产的大型关重结构件高效高精度激光增材制造材料、工艺稳定性控制方法与技术体系；研究质量性能一致性控制、检测和评价方法；研究激光增材制造典型材料关键力学性能许用值和数据库；研发面向规模化生产的高效高精度成套装备。4.4 内部精细流道增材制造在空间推进领域应用示范（应用示范类）研究内容：开展基于增材制造的空间推进系统集成化、轻量化和模块化设计研究，研发基于增材制造空间推进系统的流—固 —力—热多物理场耦合一体化设计方法及增材制造技术；研究小尺寸复杂内流道成形、内表面加工及质量控制、薄壁耐压结构成形质量控制及后续加工处理等关键技术；研究增材制造空间推进系统的检测方法及评价标准。4.5 高品质激光剥离与解键合在电子制造领域应用示范（应用示范类） 研究内容：针对 Micro-LED 显示、超薄晶圆封装中的激光剥离、解键合等制造技术瓶颈，研究紫外和深紫外光束传输与空间整形、光斑形貌与能量监控以及焦点跟随等关键技术；研究可减少器件损伤的激光剥离、解键合方法与加工工艺；研发光束整形器、焦点跟随等核心功能模块；开发 Micro-LED 显示激光剥离装备、超薄晶圆紫外激光解键合装备，研究成套工艺。4.6 科技型中小企业技术创新应用示范（科技型中小企业项目） 研究内容：面向增材制造与激光制造领域不断涌现的新兴产业增长点，开展个性化医疗器械制造、医疗植入物表面微功能结构制造、光纤微纳传感器制造、光子/电子器件制造、印制电路板 （PCB）增材制造等新兴增材制造与激光制造技术的产业化应用研究，发展新兴技术商业化装备，实现创新型构件或器件的小批量或个性化定制生产；开展具有产业新增长潜力的前沿新技术产业化研究，实现颠覆性创新新技术产业化应用。

中国科学技术大学苏州高等研究院杨亮研究员课题组开发了一套金属氧化物半导体激光微纳制造新方法，实现了亚微米精度的ZnO半导体结构的激光打印，并且将其与金属激光打印相结合，首次验证了二极管、三极管、忆阻器及加密电路等微电子元器件和电路的一体化激光直写，从而将激光微纳加工的应用场景推广到微电子领域，在柔性电子、先进传感器，智能微机电系统等领域具有重要的应用前景。该研究成果近期以“Laser Printed Microelectronics”为题发表在《Nature Communications》上。印刷电子是利用打印的方法制造电子产品的新兴技术，满足了新一代电子产品柔性与个性化的特征需求，将为微电子行业带来新的技术革命。在过去的20年里，喷墨打印、激光诱导转移(LIFT)或其他打印技术取得了长足发展，能够在不需要洁净室的环境下制造功能性有机物和无机微电子器件。然而，以上打印方式典型特征尺寸通常在几十微米量级，而且常常需要高温后处理工艺，或者依赖多种工艺结合以实现功能器件的加工。激光微纳加工技术利用激光脉冲与材料的非线性作用，可以100 nm精度实现传统方法难以实现的复杂功能结构和器件的增材制造。但是，目前大部分激光微纳加工结构是单一的聚合物材料或金属材料。半导体材料激光直写方法的缺失也导致目前激光微纳加工技术的应用难以拓展至微电子器件领域。图1:金属/半导体材料激光复合打印。a,d:金属铂；b,e:氧化锌半导体 c,f:金属银。在这篇论文中，杨亮研究员与德国及澳大利亚的研究人员合作，创新性地开发了激光打印作为一种功能性电子器件打印技术，在单一激光加工系统中实现了半导体(ZnO) 和导体(Pt 和 Ag)等多种材料的复合激光打印(图1)，并且完全不需要任何高温后处理工艺步骤，最小特征尺寸1 µm。 这一突破使得可以根据微电子器件的功能对导体和半导体，甚至是绝缘材料的布局进行定制化设计和打印，极大地提高了微电子器件打印的精度、灵活性、可控性。在此基础上研究团队成功实现了二极管、忆阻器和物理不可复制加密电路的一体化激光直写(图2)。该技术与传统的喷墨打印等技术兼容，并且有望推广至多种P型、N型半导体金属氧化物材料的打印，为复杂、大尺寸、三维功能微电子器件的加工提供了系统的新方法。图2:基于激光打印技术成功实现了忆阻器及物理不可复制加密电路等功能微电子器件的一体化打印。中国科学技术大学苏州高等研究院的杨亮研究员为论文的第一作者和共同通讯作者，合作者包括德国卡尔斯鲁尔大学、德国海德堡大学以及澳大利亚昆士兰大学的研究人员。该项研究工作得到了国家自然科学基金以及德国联邦科学基金的支持。