近年來(lái)3D 打印技術(shù)興起并獲得大發(fā)展，3D打印技術(shù)的繁榮離不開(kāi)激光技術(shù)。3D打印特別是金屬零部件的打印必須用到激光進(jìn)行加工成型，激光器無(wú)可避免地必須派上用場(chǎng)，而3D打印的大發(fā)展勢必會(huì )反推激光行業(yè)的發(fā)展。

　　王穎，國家“千人計劃”專(zhuān)家、中國科學(xué)院上海光機所研究員，紐敦光電科技（上海）有限公司董事長(cháng)

　　國家“千人計劃”專(zhuān)家王穎博士長(cháng)期從事新一代大功率激光器的產(chǎn)業(yè)化以及新型激光器的研發(fā)，對激光3D技術(shù)有深入的見(jiàn)解和體會(huì )。近期，《千人》雜志就激光技術(shù)對3D打印的影響，對王穎博士進(jìn)行了專(zhuān)訪(fǎng)。

　　激光器助力高端3D打印

　　問(wèn)：作為21世紀發(fā)展極具發(fā)展前途的新技術(shù)之一，各國政府和工業(yè)部門(mén)都非常重視激光技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)在3D打印產(chǎn)業(yè)中的應用現狀如何？在3D打印產(chǎn)業(yè)中又處于怎樣的地位？

　　王穎：激光技術(shù)主要用于金屬或陶瓷材料的3D打印。盡管其他的3D打印也可以利用激光技術(shù)，但成本太高，因此只有在特定的情況下才會(huì )使用激光源。在金屬和陶瓷類(lèi)的高端3D打印中，激光器現在是最合適的能源。由于其非接觸式的特點(diǎn)以及功率可控和穩定性，激光已經(jīng)被認為是3D打印中不可或缺的手段。

　　激光技術(shù)在3D打印產(chǎn)業(yè)中現在處于發(fā)展的上升階段。在這個(gè)階段中，對用戶(hù)影響最大的是目前激光器的價(jià)格。新一代的激光技術(shù)包括光纖激光和半導體激光，新一代激光器件的最大優(yōu)勢是電光轉換效率高，可達40-50%，可通過(guò)光纖傳輸，不需要后期維護等。盡管最近幾年新一代激光器的成本大大地下降了，相比其他3D打印設備中的器件來(lái)說(shuō)，成本仍然是最高的，甚至達到60%以上，這從某種角度上限制了高端3D打印的廣泛發(fā)展。

　　問(wèn)：3D打印技術(shù)包括3DP技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平板印刷技術(shù)、UV紫外線(xiàn)成型技術(shù)等多種技術(shù)，與這些技術(shù)相比，激光技術(shù)的優(yōu)勢在哪？

　　王穎：3DP技術(shù)使用粉末材料，如陶瓷，金屬，塑料粉末等，通過(guò)鋪粉，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后通過(guò)層層鋪粉、噴涂、粘接的過(guò)程，疊加打印出零件。熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過(guò)一個(gè)微細噴嘴的噴頭擠噴出，沉積，冷卻固化，通過(guò)材料的層層堆積形成最終成品。SLA即光固化技術(shù)是最早發(fā)展起來(lái)的快速成型技術(shù)，也是目前研究最深入、技術(shù)最成熟、應用最廣泛的快速成型技術(shù)之一。光固化技術(shù)，主要使用光敏樹(shù)脂為材料，通過(guò)紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。這些技術(shù)都不需要激光的參與。

　　激光應用的3D打印技術(shù)主要有兩種，一個(gè)是所謂選擇性激光燒結（Selecting Laser Sintering, SLS），本技術(shù)利用粉末材料在激光照射下熔融燒結的原理，由計算機控制層層堆結成型，原理與3DP類(lèi)似，只是把膠換成了激光。由于激光掃描的局限性，目前這個(gè)方法比較適合做較小的零件。另一種激光3D打印的技術(shù)是直接粉末堆積方法，通過(guò)機械臂或多軸聯(lián)動(dòng)的數控系統，將激光在預定軌跡上掃過(guò)，同時(shí)將粉末直接輸送到焦點(diǎn)進(jìn)行熔化堆積成型。這種方法可以用來(lái)打印很大的工件。理論上沒(méi)有尺寸限制。相比SLS方法，激光光斑稍大，因此產(chǎn)品光潔度一般低一些。

　　未來(lái)核心：提高光學(xué)質(zhì)量 創(chuàng )新工藝技術(shù)

　　問(wèn)：近年來(lái)，激光技術(shù)已與多個(gè)學(xué)科相結合形成多個(gè)應用技術(shù)領(lǐng)域，比如航空航天領(lǐng)域、醫療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域，材料加工領(lǐng)域等，與在3D打印產(chǎn)業(yè)運用中相比存在哪些差距？造成差距的原因是什么？

　　王穎：激光在航空航天領(lǐng)域、醫療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域，材料加工領(lǐng)域早已得到了廣泛的應用。這些應用也在不斷發(fā)展和更新中。新的激光技術(shù)往往會(huì )引起各領(lǐng)域的一些改變。3D打印相比之下還剛剛起步，這是造成差距的原因之一。另一方面，3D打印本身還有待成熟，如金屬材料的打印方面，材料，工藝，打印對象等多為定制型，設備通用性不夠，這也是目前發(fā)展的限制因素之一。

　　問(wèn)：3D打印行業(yè)中的激光技術(shù)剛剛起步，目前面臨哪些技術(shù)局限？您覺(jué)得我國的激光技術(shù)能應該如何突破這些局限？

　　王穎：激光3D打印主要還是集中在金屬材料的應用上，如何取得高精度和避免二次加工是是激光3D打印亟待突破的技術(shù)限制。

　　要突破這個(gè)限制，如何進(jìn)一步提高光學(xué)質(zhì)量，尤其是高功率激光的光學(xué)質(zhì)量是努力的目標。目前國內高光束質(zhì)量的激光器現在已可以比較容易小規模實(shí)現，光斑已經(jīng)可以做到波長(cháng)量級，但成本還比較高。另外打印的質(zhì)量往往和工藝有關(guān)。粉末技術(shù)是個(gè)比較重要的因素。超細的粉末如何準確穩定輸送也是個(gè)工藝上的問(wèn)題。因此實(shí)現高精度打印，需要開(kāi)發(fā)出新的工藝技術(shù)。另外，當制作精度提高后，打印速度就會(huì )受到較大影響。3D打印的速度和精度的平衡也是一個(gè)課題，過(guò)慢的打印速度所帶來(lái)的成本也會(huì )限制技術(shù)的普及。我國的新一代激光功率和光學(xué)質(zhì)量有待提高。國家應該對國內的關(guān)鍵核心技術(shù)加以評估和梳理，并對這些技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展給予支持。工藝研發(fā)和關(guān)鍵器件的自主生產(chǎn)可以突破激光技術(shù)的瓶頸，成本的進(jìn)一步下降對3D產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)將會(huì )有較大的幫助。

關(guān)于降低成本，我曾提過(guò)“激光參數的選擇對打印成本有關(guān)鍵的作用，激光器的選擇對3D打印的結果也起到關(guān)鍵的作用”。激光參數包括光斑尺寸，光斑分布均勻度，波長(cháng)，功率等等。這些需要綜合考慮，并根據要完成的工作進(jìn)行優(yōu)化。不了解激光技術(shù)的用戶(hù)，如果選錯了系統，對項目的順利進(jìn)行會(huì )有影響。輕則過(guò)多的花費資金買(mǎi)了超出要求的激光系統，重則引起項目失敗而并不知道其實(shí)可以成功。比如同樣的功率，均勻分布的光斑和正態(tài)分布的光斑取得的效果可能是不同的。

　　問(wèn)：目前激光主要應用于金屬3D打印，您曾說(shuō)過(guò)“激光技術(shù)用于局部修復或許是金屬3D打印推動(dòng)的突破口之一”，激光技術(shù)用于局部修復的運用現狀如何？

　　王穎：目前金屬3D打印的推廣尚有段路要走。一是因為成本比較高，設備和粉末都不便宜，另外工藝不像打塑料玩具那樣簡(jiǎn)單和要求低，用于普通零件生產(chǎn)不夠經(jīng)濟。對高端制造，如航天航空領(lǐng)域，單件制造應該就需要全檢而不是抽檢，缺陷的全面檢查會(huì )進(jìn)一步增加成本。改變工藝，優(yōu)化生產(chǎn)，減低成本都會(huì )需要些時(shí)間。相比之下，利用這項技術(shù)進(jìn)行局部修復是合適的。因此這可以是個(gè)突破口，可以把市場(chǎng)應用引領(lǐng)起來(lái)。目前激光技術(shù)用于修復也還在普及中。最近我們和客戶(hù)開(kāi)發(fā)的便攜式激光修復設備就是這方面的一項努力。

　　問(wèn)：目前激光技術(shù)用于局部修復的市場(chǎng)規模如何？面臨哪些困境？該如何解決？

　　王穎：局部修復市場(chǎng)有數億之巨。面臨的問(wèn)題一是設備的價(jià)格，二是粉末技術(shù)和來(lái)源，另外就是工藝的問(wèn)題。修復對環(huán)保和產(chǎn)品升級都是重要的，國家在這方面應該給企業(yè)鼓勵來(lái)使用這項技術(shù)。用戶(hù)多了，設備成本也就下來(lái)了，可以良性循環(huán)。3D打印的產(chǎn)業(yè)中激光技術(shù)僅是數個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素中技術(shù)因素中的一個(gè)方面而已，但可以在激光技術(shù)本身做些工作，優(yōu)化激光器來(lái)提高打印的光潔度和打印效果。

　　中國布局：從市場(chǎng)出發(fā) 深度融合

　　問(wèn)：在全球制造業(yè)競爭加劇的大背景下，激光技術(shù)為什么在制造業(yè)大受青睞？對于制造業(yè)的戰略意義是什么？

　　王穎：激光加工具有能量易控制、加工結果一致性好等優(yōu)點(diǎn)，常常取得傳統加工做不到的結果。與其他很多方法不同的是，激光加工為非接觸性加工。另外，從節能環(huán)保上看，新一代激光器的電效率為傳統激光的十多倍，電耗因此大大減小, 是節約資源的先進(jìn)制造、再制造的基礎，新型激光器由于成品率高和運行、維護費用低，可以很快收回投資。激光技術(shù)在制造業(yè)中“大行其道”，既是國際上的趨勢，也是國家高端裝備制造業(yè)發(fā)展規劃的內容。

　　問(wèn)：目前我國3D打印中的激光技術(shù)研發(fā)處于什么階段？

　　王穎：3D打印中的激光技術(shù)在國內相對國外來(lái)說(shuō)已經(jīng)不落后。生產(chǎn)規模成本控制是目前努力的目標。在新一代激光器方面，國內已有一些核心技術(shù)，但由于3D打印市場(chǎng)目前還在起步階段，并沒(méi)有比較成熟的普及設備，還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對3D打印的批量化激光器的產(chǎn)品線(xiàn)。

　　問(wèn)：近年來(lái)我國的激光3D打印技術(shù)在不斷地在發(fā)展，但從總體上看，與發(fā)達國家相比還存在較大的差距，造成差距的原因是什么？

　　王穎：中國3D打印技術(shù)發(fā)展還是較快的，對于非激光類(lèi)的3D打印技術(shù)，入門(mén)的門(mén)檻比較低，設備成本也較低，因此國內已有大量的公司在進(jìn)行這方面的研發(fā)推廣。相比國外來(lái)說(shuō)，這類(lèi)技術(shù)在國內起步并不晚，但是在軟件技術(shù)、數控，尤其是材料方面較為落后。粉末材料和打印樹(shù)脂等都還沒(méi)有好的企業(yè)支撐。這與國內高分子材料一貫的落后局面是有關(guān)系的。激光3D打印方面，國內的粉末技術(shù)也是落后的，但各種粉末的制備都有些公司在進(jìn)行，質(zhì)量也在不斷提升。在光源方面，國內的激光技術(shù)基本上和國外同步了。國內金屬打印工藝則已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，打印的大零件已可達到鍛造的水平，但目前金屬打印還非常不普遍。

　　問(wèn)：在您看來(lái)，激光3D打印的發(fā)展前景如何？我國應該如何布局？

　　王穎：3D打印有著(zhù)光明的前景，可以說(shuō)是個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。隨著(zhù)器件的進(jìn)步和工藝的發(fā)展，必然能普及開(kāi)來(lái)。激光3D打印從布局上還是應該從市場(chǎng)出發(fā)。塑料3D打印在模具和設計中已經(jīng)得到了很多應用，低端的娛樂(lè )打印技術(shù)也找到了許多市場(chǎng)的立足點(diǎn)。金屬3D打印與前面這些有所不同的地方在于其成本精度都還不能超過(guò)傳統加工，盡管這項技術(shù)可以在一些特別零件和特別情況下有獨特之處。在這個(gè)問(wèn)題沒(méi)解決前，把金屬3D打印和傳統制造技術(shù)結合是個(gè)較好的起點(diǎn)。國家的導向和支持可以通過(guò)普及技術(shù)來(lái)促動(dòng)發(fā)展速度。

　　問(wèn)：激光技術(shù)在3D打印產(chǎn)業(yè)中的未來(lái)發(fā)展趨勢如何？

　　王穎：激光作為一個(gè)先進(jìn)制造技術(shù)中的關(guān)鍵器件來(lái)說(shuō)，其起到的作用是提供高功率密度的能量。從這個(gè)角度看，激光技術(shù)的在3D打印產(chǎn)業(yè)中變得越來(lái)越重要是必然的。如何把能量準確地、有效地、按需求地送到指定的位置就對激光器的發(fā)展提出了更高的要求。因此3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展也會(huì )推動(dòng)激光技術(shù)的性能和成本向有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向改變。