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證券投資體系考察下的激光微加工應(yīng)用趨勢(shì)分析

發(fā)布時(shí)間:2020-11-17 來(lái)源:元祿光電

激光器方面:我國(guó)激光器+激光設(shè)備行業(yè)目前合計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了658億元(2019年),2013年行業(yè)僅為194億,2013-2019年經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)7 的正增長(zhǎng)。在激光切割方面,激光對(duì)于傳統(tǒng)切割方式的滲透度約26.26%~30.65%,在激光切割設(shè)備中,高功率(1500W以上)占比僅為20.8%; 在激光焊接方面,由于成本原因,激光焊接占焊接市場(chǎng)比例較小,目前更多地應(yīng)用于汽車(chē)/電池/精密金屬加工/光通訊等。

 

超快激光器成為近年來(lái)激光市場(chǎng)上最突出的增長(zhǎng)點(diǎn),2015-2019年復(fù)合增速為70.5%,而全球激光器市場(chǎng)2015-2019年復(fù)合增速僅為11%。2019 年國(guó)內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過(guò)25家,2019年市場(chǎng)空間達(dá)到24.5億元,已成長(zhǎng)為相當(dāng)于國(guó)內(nèi)光纖激光器收入體量30%的市場(chǎng)。

 

激光器+激光設(shè)備行業(yè)目前合計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了658億元(2019年),2013年行業(yè)僅為194億,2013-2019年經(jīng) 歷長(zhǎng)達(dá)7年的正增長(zhǎng)。

 

激光加工行業(yè):切割具備工業(yè)易 耗品屬性,拓寬新興應(yīng)用場(chǎng)景, 把握具備競(jìng)爭(zhēng)門(mén)檻的環(huán)節(jié)。

 

 1.1 激光概念的厘清和分類:激光向低波長(zhǎng)+高功率+超快方向延伸

按照波長(zhǎng)來(lái)劃分,連續(xù)光纖激光器一般屬于近紅外光;IPG指引激光器正在向低波長(zhǎng)延伸。

 

光纖激光器,按照光的波長(zhǎng)來(lái)劃分,一般是從可見(jiàn)光到近紅外光(500nm1.5μm之間),其特點(diǎn)是:金屬對(duì)該波長(zhǎng) 范圍內(nèi)的光吸收能力較強(qiáng),近紅外光適用于金屬加工。

 

按照IPG年報(bào)指引,激光器正在向低波長(zhǎng)延伸,半導(dǎo)體激光器、可見(jiàn)光激光器(藍(lán)光、綠光等)及UV激光器等是其目 前主要拓展的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)的二氧化碳激光器、固體激光器(鉺固體激光器、銩固體激光器等)則屬于中紅外、遠(yuǎn)紅外 波長(zhǎng)范圍。

 

按照工作方式來(lái)劃分,光纖激光器又可劃分為連續(xù)出光、脈沖出光,介于兩者之間的為準(zhǔn)連續(xù)激光。

 

連續(xù)激光器:出光是連續(xù)的,峰值功率達(dá)到120KW,主要應(yīng)用在切割、弧焊、釬焊、打孔等等

 

半連續(xù)激光器(QCW):本質(zhì)上還是脈沖出光,但是脈寬較長(zhǎng),峰值功率為23KW,主要應(yīng)用在切割、弧焊、釬焊、 打孔、金屬淬火(提高金屬延展性、降低直流電阻),尤其適合在點(diǎn)焊、縫焊以及鉆孔應(yīng)用領(lǐng)域替代燈泵浦YAG激光 器。用途上跟連續(xù)激光器有一定重疊。

 

脈沖激光器又可劃分為納秒、皮秒、飛秒脈沖激光器等

納秒激光器(脈寬較長(zhǎng)):峰值功率為1MW,主要應(yīng) 用在薄板的劃線、刻蝕,鉆孔,表面處理,淬火,打標(biāo) 等。

 

納秒激光器(脈寬較短,以下更適用于微觀精加工): 主要用在薄板的淬火、硅片/玻璃的切割等;

 

皮秒激光器(脈寬達(dá)到皮秒級(jí)別):峰值功率大于 10MW,主要用于打黑、藍(lán)寶石/玻璃切割,光伏 /OLED切割

 

飛秒激光器(脈寬達(dá)到飛秒級(jí)別):峰值功率大于 29MW,金屬薄板切割、鉆孔,高精度加工,眼科手術(shù) 等。

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在工業(yè)激光器中,光纖激光器成長(zhǎng)性最好,固體激光器近兩年有所增長(zhǎng),氣體激光器逐步萎縮

 

全球范圍內(nèi),光纖激光器2009-2018年銷(xiāo)售規(guī)模從1.69億美元增長(zhǎng)至26.03億美元,按照當(dāng)前匯率計(jì)算約為180億元, 期間CAGR35.50%;光纖激光器在工業(yè)激光器中的占比從2009年的13.7%上升至51.5%。

 

固體激光器16-18年快速增長(zhǎng),從4.7億美元增長(zhǎng)至7.4億美元左右,期間CAGR25.5%,主要原因系超快固體激光器 增速較快。

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在所有激光設(shè)備的下游用途中,工業(yè)加工為最主要應(yīng)用方向,2019年工業(yè)加工在所有激光用途中的占比為40.6%; 相較于2018年而言下降4.4pct

 

儀器儀表與傳感(更多應(yīng)用于檢測(cè))與科研軍事用途成為增速相對(duì)較快的領(lǐng)域,其2019年分別占比為8.4%、12%, 相較于2018年分別提高1.4%、5%

 

在工業(yè)加工中,按照使用的成熟度劃分,打標(biāo)>切割>焊接>精密加工。

 

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1.2  工業(yè)激光整體規(guī)模及行業(yè)變動(dòng)規(guī)律

 

我國(guó)激光器+激光設(shè)備行業(yè)目前合計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了658億元(2019年),2013年行業(yè)僅為194億,2013-2019 經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)7年的正增長(zhǎng)。

 

我們認(rèn)為工業(yè)激光整體屬于通用自動(dòng)化范疇。從成長(zhǎng)性來(lái)看,工業(yè)機(jī)器人(2013-2019CAGR25.74%)>激光 (CAGR22.54%)>注塑機(jī)(CAGR8.82%>金屬成形機(jī)床(CAGR0)。但整體周期波動(dòng)較為一致,2014、 2017年景氣度相對(duì)較高,2015、2018、2019年景氣度相對(duì)偏低。

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1.3  連續(xù)激光市場(chǎng):切割由成長(zhǎng)走向成熟、但仍有望保持較快增速,焊接+其他用途接力

 

激光加工滲透度:從激光設(shè)備與切割焊接設(shè)備市場(chǎng)空間來(lái)看

 

根據(jù)我們的估算,我國(guó)冷切割設(shè)備存量約為16.62萬(wàn)臺(tái),熱切割設(shè)備存量約為10萬(wàn)臺(tái);

 

而根據(jù)中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2019)及我們的估算,到2019年底我國(guó)切割用激光設(shè)備存量為7~8.16萬(wàn)臺(tái);

 

不考慮效率差異,激光對(duì)于傳統(tǒng)切割方式的滲透度約26.26%~30.65%;

 

而激光切割在中厚板場(chǎng)景下效率遜于等離子切割設(shè)備,因此實(shí)際滲透度可能低于上述估算值;

 

由于在激光切割設(shè)備中,高功率(1500W以上)占比僅為20.8%,高功率對(duì)于傳統(tǒng)中厚板切割方式的滲透 度更低。

 

激光焊接成本較高,決定了其自上而下滲透

激光焊接企業(yè)的設(shè)備單價(jià):如果是成套設(shè)備(集成機(jī) 器人、自動(dòng)上下料等),設(shè)備單價(jià)是數(shù)十萬(wàn)到上百萬(wàn)不等;如果是 激光焊接機(jī),單價(jià)為20萬(wàn)以上;

 

而傳統(tǒng)焊機(jī)代表企業(yè)佳士科技、上海滬工設(shè)備單價(jià):根據(jù)滬工招股 說(shuō)明書(shū),其手動(dòng)焊機(jī)單價(jià)為1300-1400元左右,氣體保護(hù)焊機(jī) (更先進(jìn)的產(chǎn)品)單價(jià)在3500-4000元左右;

 

因而,激光焊接目前更多地應(yīng)用于汽車(chē)/電池/精密金屬加工/光通訊。


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焊接市場(chǎng)空間大,激光焊接占比較小

焊接市場(chǎng)空間廣闊,根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),規(guī)模以上金屬焊接切割廠商年收入合計(jì)達(dá)到475.46億(2019年);

 

而我國(guó)激光焊接市場(chǎng)目前的體量較小。參考中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2019,激光加工設(shè)備市場(chǎng)在2018年達(dá)到605 億;參考strategies unlimited2017年激光焊接占整體工業(yè)激光器應(yīng)用的比例為16%。則估算激光焊接設(shè)備的 體量約為97億元(由于激光焊接在國(guó)外汽車(chē)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用更為普遍,因而這一估算可能偏高)。

 

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1.4  超快激光器:精密加工應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)運(yùn)而生,快速增長(zhǎng)的新興市場(chǎng)

傳統(tǒng)激光加工處理:起源于入射光子-受激電子-聲子轉(zhuǎn)化而成的熱能,材料通過(guò)固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)的三相熱熔過(guò)程得到逐步去除, 并且其中的熱擴(kuò)散過(guò)程會(huì)影響加工處理的質(zhì)量。

 

與納秒及毫秒激光器相比,超快激光器雖然整體功率更低,但由于其直接作用于材料分子震動(dòng)的時(shí)間尺度,在真正意義上實(shí)現(xiàn)了 “冷加工”,因此加工精度大大提高。

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超快激光器的應(yīng)用范圍需要厘清,總結(jié)而言,其尤其適合脆性非金屬材料加工(由波長(zhǎng)決定,超快一般為紫外等)以及金屬 薄片加工(超快也會(huì)有紅外,目前成本較高)。

 

激光焊接:超快激光器使普通激光難以焊接的特殊材料,如玻璃、陶瓷等實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)革新和突破。

 

舉例:飛秒激光玻璃焊接:電子元器件之間的微連接為大難題,傳統(tǒng)的膠水粘合雖然可以實(shí)現(xiàn)多種材料之間的連接,但其易 老化、熱解、易受熱膨脹等缺點(diǎn)使得產(chǎn)品的可靠性難以保證;普通長(zhǎng)脈沖激光的能量不易被玻璃吸收而且熱膨脹易使玻璃碎 裂,并不適合微焊接玻璃等透明材料。超短脈沖激光與透明材料相互作用具有熱效應(yīng)小及非線性吸收的特點(diǎn),非常適合透明 材料的微焊接,其原理是將高強(qiáng)度的飛秒激光聚焦在兩塊透明玻璃材料的分界面處,界面處的玻璃經(jīng)歷熔化以及再凝結(jié)等過(guò) 程,最終使得兩塊玻璃牢固的結(jié)合在一起。

 

激光切割:超快激光器不斷挑戰(zhàn)業(yè)界最高水準(zhǔn)的切割效率,切割質(zhì)量?jī)?yōu)于其他激光,滿足更多潛在行業(yè)的應(yīng)用需 求。

 

舉例:全面屏切割:傳統(tǒng)切割方法的機(jī)械刀輪在異形切割時(shí)開(kāi)始暴露出切割速度慢、精度低、存在較大毛邊損傷等問(wèn)題,激 光切割在上述方面優(yōu)勢(shì)明顯,但仍然存在一定熱影響,超快激光器的激光脈寬進(jìn)一步縮短,可以使用更小的能量將玻璃切開(kāi), 從而對(duì)玻璃損傷更小。其他切割:面板制造中OLED偏光片的切割、LED晶片切割等。

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其他激光微加工:藍(lán)寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工技術(shù)和精細(xì)加工的材料,然后由于其質(zhì)地堅(jiān)硬, 對(duì)熱敏感,傳統(tǒng)制造工藝很難完成,需要通過(guò)超快激光器進(jìn)行微加工處理。

 

藍(lán)寶石凹槽銑削:藍(lán)寶石是地球上僅此于鉆石第二堅(jiān)硬的材料,很難用機(jī)械的方法來(lái)加工,需要用激光 器來(lái)切割藍(lán)寶石。

 

陶瓷加工:陶瓷材料塑性變小、材料脆性大、易產(chǎn)生裂紋,擴(kuò)展至脆性斷裂,所以在切削加工過(guò)程中會(huì) 造成崩豁現(xiàn)象,甚至于整個(gè)工件報(bào)廢。通過(guò)超快激光器可以完成陶瓷加工精細(xì)化處理,減少裂紋產(chǎn)生。

 

光伏電池圖案激光蝕刻超快激光在光伏電池的制造中應(yīng)用空間廣闊。例如在CIGS薄膜電池的制造中,超 快激光可替代原有的機(jī)械劃線工藝,顯著改善劃線質(zhì)量,尤其是對(duì)于P2、P3劃線環(huán)節(jié),可以做到幾乎 沒(méi)有崩邊現(xiàn)象,也沒(méi)有裂紋和殘余應(yīng)力。

 

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飛秒激光金屬箔切割:飛秒激光切割機(jī)是指采用脈沖激光時(shí)間為飛秒段的超快激光,其加工特性 在于對(duì)材料的熱影響小,與材料作用時(shí)間超短,在某些材料上低于材料分子間的布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)間, 因此熱影響超小,也就不會(huì)造成超薄金屬材料變形、產(chǎn)生毛刺、顆粒粉塵等。

 

激光金屬蝕刻,打標(biāo):相比普通激光器,超快激光器可以進(jìn)行更精準(zhǔn)的蝕刻及標(biāo)記,更耐腐蝕。

 

激光表面處理:激光表面處理是一種燒蝕過(guò)程,在該過(guò)程中,材料表面吸收聚焦的激光能量來(lái)實(shí)現(xiàn) 良好的修復(fù)、修飾效果。主要應(yīng)用包括去除金屬、玻璃和復(fù)合板上的油漆、粘合劑、氧化物、油污 和脫模等。

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航空領(lǐng)域:

為提高渦輪葉片的性能和使用壽命,進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,需要采用氣膜冷卻技術(shù),這對(duì)氣膜孔加工 技術(shù)提出了極高的要求,2018年西安光機(jī)所開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級(jí)飛秒光纖激光器, 并研制出系列化超快激光極端制造裝備,實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破,填補(bǔ)了 國(guó)內(nèi)空白,這種加工方法較電火花加工等方法精度更高,成品率大大提升。

 

超快激光還可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精密加工,加工精度的提升,有助于碳纖維等復(fù)合材料在航空 航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。

 

醫(yī)療領(lǐng)域:飛秒激光視力矯正:在眾多的近視矯正術(shù)中,全飛秒激光手術(shù)已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法, 與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)相比,全飛秒激光手術(shù)具有手術(shù)準(zhǔn)確度高、無(wú)明顯疼痛感、術(shù)后視覺(jué) 效果好等優(yōu)勢(shì)。

 

心臟支架切割:由于心臟支架壁管極薄,通常采用激光加工代替常規(guī)的機(jī)械加工。但是,使用 普通激光通過(guò)燒蝕融化來(lái)加工,這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕 嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問(wèn)題。近年來(lái),國(guó)外企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始采用飛秒激光進(jìn)行支架切割。

 

醫(yī)療美容方面:超快激光可用于去除色素和原生痣、去除紋身等,也可以用來(lái)改善肌膚的衰 老情況。

 

2019年全球激光器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模:2019年全球激光器銷(xiāo)售額為147.3億美元,相比2018年的137.6 億美元銷(xiāo)售額同比增長(zhǎng)9.9個(gè)百分點(diǎn)。中美貿(mào)易戰(zhàn)得到一定程度緩和,激光產(chǎn)品進(jìn)出口表現(xiàn)出復(fù)出跡象。 2019年激光器在科研和軍事市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)張,增長(zhǎng)率達(dá)到21%以上。

 

中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模:2019年中國(guó)激光器市場(chǎng)雖然有所增長(zhǎng)但與前兩年相比增速開(kāi)始放緩。工業(yè)、 信息、商業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研領(lǐng)域的激光設(shè)備市場(chǎng)銷(xiāo)售總收入為658億元,較2018年同比增長(zhǎng)了8.8個(gè)百分點(diǎn)。

 

超快激光器成為近年來(lái)激光市場(chǎng)上最突出的增長(zhǎng)點(diǎn),2015-2019年復(fù)合增速為70.5%,而全球激光 器市場(chǎng)2015-2019年復(fù)合增速僅為11%。2019年國(guó)內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過(guò)25家, 2019年市場(chǎng)空間達(dá)到24.5億元,已成長(zhǎng)為相當(dāng)于國(guó)內(nèi)光纖激光器收入體量30%的市場(chǎng)。

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激光產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、市場(chǎng)規(guī)模大,因而有大量的上市、非上市企業(yè)。

近年來(lái)的趨勢(shì):細(xì)分環(huán)節(jié)的專業(yè)化程度越來(lái)越高。從競(jìng)爭(zhēng)激烈程度而言,激光設(shè)備大于激光器大于激光材料大于器件。

 

推薦設(shè)備:超快皮秒紫外激光微細(xì)加工系統(tǒng)

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