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特域浅谈:高功率超快激光设备,如何打开应用端市场

发布时间:2023-09-21 15:14:10阅读量:

高功率超快激光如何打开市场

工业激光加工拥有三个最重要的特点:高效率、高精度、高品质。正是这三个特点,让激光加工广受各行业生产制造的欢迎,无论是在高功率金属切削还是在中小功率微细加工,都比传统的其它加工方式表现出巨大的优势,因此过去十多年激光加工得到了快速的普及应用。

超快激光器从完全进口到国产化

激光加工应用逐渐形成了分工,在大金属件,有中高功率光纤激光的切割焊接,在一些精密产品加工需求,有超快激光的微加工。以皮秒激光器(10-12秒)、飞秒激光器(10-15秒)为代表的超快激光器发展至今仅20年,真正商用才从2010年开始,逐渐进入到医疗和工业加工。与光纤激光器一样,超快激光器在国内也是从零开始,是一些海归人才回国带回了技术,我国的工业用超快激光器追溯至2012年才启动,到2014年才有成熟的产品。此前在超快激光器这个细分产品上,我国几乎全部采购进口产品。

早期一台进口的皮秒激光器的成本需要几百万人民币,直到2015年外国厂家技术相对成熟了,也要超过200万人民币。一台超快激光精密切割设备售价超过400万元,激光器成本占比超过60%,高昂的应用成本阻碍了超快激光在我国的规模化应用。这种高精尖产品集中在美国、法国、德国、立陶宛等少数国家的企业手上。

超快激光切割玻璃

超快激光切割玻璃

自2015年后我国加快了超快激光器国产化进程,产品技术快速取得突破,2017年我国已有十多家企业从事超快激光器。当时在某激光展览会上,很多国内品牌产品可以与外国产品同台竞技,国产超快激光器单价仅数十万元,让进口产品不得不适当降低售价。当时国产超快激光器在3W-15W的小功率阶段逐渐稳定并且推广应用,而功率稍高的基本还是外国产品垄断。

超快激光功率技术不断创新高

在2018年,德国某知名激光研究所就宣布正在攻关1000瓦的超快激光器,一时间震惊全球,要知道当时超快激光器的应用阶段只到30瓦的水平,正在向50瓦迈进。而在2019年,Amplitude推出首台300瓦工业级飞秒激光器(500fs)。可见,在超快激光器技术层面上,国内与外国先进水平存在较大的差距。实际上,近几年在国内科研人员的努力下,国产超快激光技术取得巨大的进步:50W紫外皮秒激光器成功研发,50W的飞秒激光器逐渐成熟,2023年某北京公司推出了500W高功率红外皮秒激光器。如今我国的超快激光器技术大大缩窄了与欧美先进水平的差距,仅在最大功率、稳定性、最小脉宽等关键性指标上仍然落后。

预估未来超快激光器的技术发展,仍然是继续推出更高功率,比如1000瓦的红外皮秒、500瓦的飞秒激光器等,在脉冲宽度上会继续提升。随着技术的突破,应用端的一些瓶颈也会被打破。

国内市场需求端赶不上激光器产能发展

超快激光设备成本大幅下降,同时在手机电子、液晶面板、光伏等行业带动下,超快激光器迅速打开了应用端,特别是2018-2019年超快激光器出货量快速增加。据国内某机构初步统计,我国超快激光器出货量从 2015 年的 不到100台快速增加到 2021 年的2400 台,2020 年中国超快激光器市场规模约为 27.4 亿元。此外,超快激光器市场规模的增速远小于出货量的增速,这是因为我国超快激光器下游应用市场尚未完全打开,但国内外参与厂商数量较多,竞争激烈,使得超快激光器陷入了产业发展怪圈:超快激光器企业多,不断融资扩产,产能严重过剩,应用端没上批量,各家拼价格去抢夺市场份额,导致高精尖的超快激光器售价大幅下降,二三十万一台激光器也常见了,超快激光器未如预期的大规模应用,主要是因为在很多应用端工艺不成熟,其次是主要应用端手机电子、面板等近三年不景气,导致用户不太敢扩产上超快激光产线。超快激光器极短的脉冲让其加工几乎无热量扩散,可提供可靠、高质量的精密“冷加工”,材料的微裂纹较少,能够实现对敏感材料的高精度处理,也可以实现特殊材料的维纳制备。

与肉眼可见的钣金激光切割和烧焊不同,超快激光的加工能力在极短时间内完成,而这需要很多工艺的研究。目前,我们常说超快激光已成熟应用于手机全面屏切割、玻璃切割、OLED PET膜切割、FPC 软板切割、PERC太阳能电池、晶圆切割、线路板打盲孔等领域。另外,在航空航天、军工产品的特殊部件打孔、切割也尤为重要。

需要注意的是,可以宣称超快激光器适用很多领域,但是实际应用多少又是另一回事。在半导体材料、芯片、晶圆、PCB板、覆铜板、SMT等这些规模很大的产业上,几乎没看到超快激光的规模应用案例,这说明超快激光应用终端和工艺开发是滞后的,落后于激光器技术的发展速度。

超快激光加工应用探索路途漫长

国内做精密激光设备的企业数量并不多,与做金属激光切割企业数量相比,可能只有20分之一,规模普遍都不大,从芯片、PCB、面板等行业得到工艺开发的机会不足。另外,那些终端应用产业原来有成熟的生产工艺,一些环节要转为激光微加工,需要很多的试错和论证,才能探索出新的可靠的工艺方案,同时也考虑设备成本问题,这个转变过程并不容易。

特域CWUP-20冷却超快激光设备

特域CWUP-20冷却超快激光设备

在整板的玻璃切割加工可能是超快激光容易切入的一个细分,手机玻璃屏的激光切割迅速得到普及就是个成功案例,而其它产业的特殊材料部件、半成品要切入超快激光则需要更多时间探索。目前超快激光应用面还是偏窄,主要在非金属材料切割方面,而在OLED/半导体等市场较为广阔的领域应用极少,体现出我国超快激光加工技术整体水平还不高,这也意味着未来的发展空间是巨大的,预估在未来10年内超快激光加工将会逐步迎来应用爆发点。

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