“千人計劃”激光器專家王穎：激光技術對3D打印的影響
王穎，國家“千人計劃”專家、中國科學院上海光機所研究員，紐敦光電科技（上海）有限公司董事長
國家“千人計劃”專家王穎博士長期從事新一代大功率激光器的產業化以及新型激光器的研發，對激光3D技術有深入的見解和體會。近期，《千人》雜志就激光技術對3D打印的影響，對王穎博士進行了專訪。
激光器助力高端3D打印
問：作為21世紀發展極具發展前途的新技術之一，各國政府和工業部門都非常重視激光技術的發展，激光技術在3D打印產業中的應用現狀如何？在3D打印產業中又處于怎樣的地位？
王穎：激光技術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，但成本太高，因此只有在特定的情況下才會使用激光源。在金屬和陶瓷類的高端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以及功率可控和穩定性，激光已經被認為是3D打印中不可或缺的手段。
激光技術在3D打印產業中現在處于發展的上升階段。在這個階段中，對用戶影響最大的是目前激光器的價格。新一代的激光技術包括光纖激光和半導體激光，新一代激光器件的最大優勢是電光轉換效率高，可達40-50%，可通過光纖傳輸，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說，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打印的廣泛發展。
問：3D打印技術包括3DP技術、FDM熔融層積成型技術、SLA立體平板印刷技術、UV紫外線成型技術等多種技術，與這些技術相比，激光技術的優勢在哪？
王穎：3DP技術使用粉末材料，如陶瓷，金屬，塑料粉末等，通過鋪粉，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，然后通過層層鋪粉、噴涂、粘接的過程，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，通過一個微細噴嘴的噴頭擠噴出，沉積，冷卻固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。SLA即光固化技術是最早發展起來的快速成型技術，也是目前研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。光固化技術，主要使用光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產品。這些技術都不需要激光的參與。
激光應用的3D打印技術主要有兩種，一個是所謂選擇性激光燒結（Selecting Laser Sintering, SLS），本技術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類似，只是把膠換成了激光。由于激光掃描的局限性，目前這個方法比較適合做較小的零件。另一種激光3D打印的技術是直接粉末堆積方法，通過機械臂或多軸聯動的數控系統，將激光在預定軌跡上掃過，同時將粉末直接輸送到焦點進行熔化堆積成型。這種方法可以用來打印很大的工件。理論上沒有尺寸限制。相比SLS方法，激光光斑稍大，因此產品光潔度一般低一些。
未來核心：提高光學質量 創新工藝技術
問：近年來，激光技術已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如航空航天領域、醫療領域、軍事領域，材料加工領域等，與在3D打印產業運用中相比存在哪些差距？造成差距的原因是什么？
王穎：激光在航空航天領域、醫療領域、軍事領域，材料加工領域早已得到了廣泛的應用。這些應用也在不斷發展和更新中。新的激光技術往往會引起各領域的一些改變。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，這也是目前發展的限制因素之一。
問：3D打印行業中的激光技術剛剛起步，目前面臨哪些技術局限？您覺得我國的激光技術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限制。
要突破這個限制，如何進一步提高光學質量，尤其是高功率激光的光學質量是努力的目標。目前國內高光束質量的激光器現在已可以比較容易小規模實現，光斑已經可以做到波長量級，但成本還比較高。另外打印的質量往往和工藝有關。粉末技術是個比較重要的因素。超細的粉末如何準確穩定輸送也是個工藝上的問題。因此實現高精度打印，需要開發出新的工藝技術。另外，當制作精度提高后，打印速度就會受到較大影響。3D打印的速度和精度的平衡也是一個課題，過慢的打印速度所帶來的成本也會限制技術的普及。我國的新一代激光功率和光學質量有待提高。國家應該對國內的關鍵核心技術加以評估和梳理，并對這些技術的工業化發展給予支持。工藝研發和關鍵器件的自主生產可以突破激光技術的瓶頸，成本的進一步下降對3D產業的推動將會有較大的幫助。
關于降低成本，我曾提過“激光參數的選擇對打印成本有關鍵的作用，激光器的選擇對3D打印的結果也起到關鍵的作用”。激光參數包括光斑尺寸，光斑分布均勻度，波長，功率等等。這些需要綜合考慮，并根據要完成的工作進行優化。不了解激光技術的用戶，如果選錯了系統，對項目的順利進行會有影響。輕則過多的花費資金買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可以成功。比如同樣的功率，均勻分布的光斑和正態分布的光斑取得的效果可能是不同的。問：目前激光主要應用于金屬3D打印，您曾說過“激光技術用于局部修復或許是金屬3D打印推動的突破口之一”，激光技術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單和要求低，用于普通零件生產不夠經濟。對高端制造，如航天航空領域，單件制造應該就需要全檢而不是抽檢，缺陷的全面檢查會進一步增加成本。改變工藝，優化生產，減低成本都會需要些時間。相比之下，利用這項技術進行局部修復是合適的。因此這可以是個突破口，可以把市場應用引領起來。目前激光技術用于修復也還在普及中。最近我們和客戶開發的便攜式激光修復設備就是這方面的一項努力。
問：目前激光技術用于局部修復的市場規模如何？面臨哪些困境？該如何解決？
王穎：局部修復市場有數億之巨。面臨的問題一是設備的價格，二是粉末技術和來源，另外就是工藝的問題。修復對環保和產品升級都是重要的，國家在這方面應該給企業鼓勵來使用這項技術。用戶多了，設備成本也就下來了，可以良性循環。3D打印的產業中激光技術僅是數個產業發展因素中技術因素中的一個方面而已，但可以在激光技術本身做些工作，優化激光器來提高打印的光潔度和打印效果。
中國布局：從市場出發 深度融合
問：在全球制造業競爭加劇的大背景下，激光技術為什么在制造業大受青睞？對于制造業的戰略意義是什么？
王穎：激光加工具有能量易控制、加工結果一致性好等優點，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。激光技術在制造業中“大行其道”，既是國際上的趨勢，也是國家高端裝備制造業發展規劃的內容。
問：目前我國3D打印中的激光技術研發處于什么階段？
王穎：3D打印中的激光技術在國內相對國外來說已經不落后。生產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，但由于3D打印市場目前還在起步階段，并沒有比較成熟的普及設備，還沒有專門針對3D打印的批量化激光器的產品線。
問：近年來我國的激光3D打印技術在不斷地在發展，但從總體上看，與發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打印技術發展還是較快的，對于非激光類的3D打印技術，入門的門檻比較低，設備成本也較低，因此國內已有大量的公司在進行這方面的研發推廣。相比國外來說，這類技術在國內起步并不晚，但是在軟件技術、數控，尤其是材料方面較為落后。粉末材料和打印樹脂等都還沒有好的企業支撐。這與國內高分子材料一貫的落后局面是有關系的。激光3D打印方面，國內的粉末技術也是落后的，但各種粉末的制備都有些公司在進行，質量也在不斷提升。在光源方面，國內的激光技術基本上和國外同步了。國內金屬打印工藝則已經取得了較大進步，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：在您看來，激光3D打印的發展前景如何？我國應該如何布局？
王穎：3D打印有著光明的前景，可以說是個朝陽產業。隨著器件的進步和工藝的發展，必然能普及開來。激光3D打印從布局上還是應該從市場出發。塑料3D打印在模具和設計中已經得到了很多應用，低端的娛樂打印技術也找到了許多市場的立足點。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傳統加工，盡管這項技術可以在一些特別零件和特別情況下有獨特之處。在這個問題沒解決前，把金屬3D打印和傳統制造技術結合是個較好的起點。國家的導向和支持可以通過普及技術來促動發展速度。
問：激光技術在3D打印產業中的未來發展趨勢如何？
王穎：激光作為一個先進制造技術中的關鍵器件來說，其起到的作用是提供高功率密度的能量。從這個角度看，激光技術的在3D打印產業中變得越來越重要是必然的。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展提出了更高的要求。因此3D打印產業發展也會推動激光技術的性能和成本向有利于產業發展的方向改變。
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