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(yè)化以及新型激光器的研發(fā)，對激光3D技術有深入的見解和體會，《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。

《千人》：作為21世紀發(fā)展極具發(fā)展前途的新技術之一，各國政府和工業(yè)部門都非常重視激光技術的發(fā)展，激光技術在3D打印產業(yè)中的應用現(xiàn)狀如何？在3D打印產業(yè)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(xiàn)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(wěn)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(yè)中現(xiàn)在處于發(fā)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(yōu)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(fā)展。

《千人》：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(yōu)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(qū)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(FusedDepositionModeling,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(fā)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(SelectingLaserSintering,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(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，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：提高光束質量創(chuàng)新工藝技術

《千人》：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(yī)療領域、軍事領域，材料加工領域等，與在3D打印產業(yè)運用中相比存在哪些差距？造成差距的原因是什么？

王穎：激光在航空航天領域、醫(yī)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(fā)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(fā)展的限制因素之一。

《千人》：3D打印行業(yè)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，如何進一步提高光束質量，尤其是高功率激光的光束質量是努力的目標。目前國內高光束質量的激光器現(xiàn)在已可以比較容易小規(guī)模實現(xiàn)，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(wěn)定輸送也是個工藝上的問題。因此實現(xiàn)高精度打印，需要開發(fā)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(yè)化發(fā)展給予支持。工藝研發(fā)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(yè)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(shù)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(shù)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(jù)要完成的工作進行優(yōu)化。不了解激光技術的用戶，如果選錯了系統(tǒng)，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(tǒng)，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(tài)分布的光斑取得的效果可能是不同的。

《千人》：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(xiàn)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(yōu)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(fā)的便攜式激光修復設備就是這方面的一項努力。

《千人》：目前激光技術用于局部修復的市場規(guī)模如何？面臨哪些困境？該如何解決？

王穎：局部修復市場有數(shù)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(huán)保和產品升級都是重要的，國家在這方面應該給企業(yè)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(huán)。3D打印的產業(yè)中激光技術僅是數(shù)個產業(yè)發(fā)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(yōu)化激光器來提高打印的光潔度和打印效果。

《千人》：在全球制造業(yè)競爭加劇的大背景下，激光技術為什么在制造業(yè)大受青睞？對于制造業(yè)的戰(zhàn)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，常常取得傳統(tǒng)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(jié)能環(huán)保上看，新一代激光器的電效率為傳統(tǒng)激光的十多倍，電耗因此大大減小,是節(jié)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(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(guī)劃的內容。