新一轮科技革命下中国激光加工产业发展探究<br/>——欧美比较视角

新一轮科技革命下中国激光加工产业发展探究
——欧美比较视角

2021-06-16章日辉

科技创业月刊 2021年5期

章日辉江洪叶茂

(中国科学院武汉文献情报中心，湖北武汉 430071)

0 引言

在新一轮科技革命下，激光技术作为当今世界范围内最先进的制造加工技术之一，近年来得到迅速发展。目前激光技术已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗美容、3D传感等方面。激光技术得到了前所未有的关注和发展，成为推动信息技术、制造技术等领域的先导力量，成为各国展开战略性科技竞争、引领经济增长的重要领域。而激光产业正从原本一个非常小众的市场变得越来越大众化。随着国际和国内整体产业环境的改变，在产业水准提升、专业人员缺乏、自动化需求增加、产品附加价值和加工质量有待提高的压力下，激光加工应用已逐渐被国内产业界接受并采用。

1 激光加工产业链

激光加工设备行业庞大且应用广泛，从激光加工产业的产业链分布可以看出，激光加工产业链主要包括：上游主要是激光元器件以及激光器，国外主要厂商有美国的IPG公司、恩耐公司等，国内主要厂商有武汉锐科激光、深圳创鑫激光等；中游主要是激光加工设备的制造，国外企业主要有德国通快集团(Trumpf)、意大利普瑞玛集团(PRIMA)、瑞士百超集团(Bystronic)；国内企业主要有大族激光、华工科技、亚威股份等；下游应用行业，主要包括激光加工在汽车、钢铁、船舶、航空航天、消费电子、高端材料、半导体加工、机械制造、医疗美容、电子工业等行业中的应用。激光加工的产业链如图1所示。

图1 激光加工产业链

2 欧美激光加工产业发展分析

随着经济全球化的发展，越来越多的工业化国家发现激光加工在替代传统制造技术上有着巨大的潜在需求，纷纷发展激光产业，欧洲地区尤其是德国在激光产业上发展迅速，激光的商业应用日趋广泛。在欧美工业发达国家中，70%～90%零部件的切割和焊接都是采用激光加工方式来完成。

德国是全球激光产业最发达的国家，尤其是激光加工的工业应用，处于国际领先水平。德国政府鼓励在大、中、小型企业中积极建立激光加工生产线，把激光技术广泛地应用于多个行业。例如，德国大众汽车厂的激光加工生产线；Tyssen钢铁公司的车身激光拼焊生产线；西门子公司的线包引线激光电焊生产线，集成电路激光微调生产线、半导体硅片激光毛化和退火生产线等。德国拥有全球最大的工业激光设备制造公司通快集团，通快集团创立于1923年，是全球工业生产机床和激光领域的公司之一。目前通快集团收入中与激光相关的产品占比近八成。此外，还有在超快激光加工领域颇具竞争力的EdgeWave GmbH，公司成立于2001年，拥有世界尖端技术InnoSlab技术。InnoSlab技术已被广泛地应用于光伏产业、玻璃加工业、陶瓷加工业、半导体工业、汽车制造业、机械制造业、模型加工业、家具制造业以及微加工、广告技术、医疗技术、分析技术和科学研究领域。

与德国相同，美国为激光应用提供了巨大的增长潜力。美国激光设备的核心零部件有着深厚的技术积淀，不仅在汽车工业和医疗技术等领域，在微电子领域也是全球领先[1]。在激光加工领域，电动汽车的电池和绕组焊接等应用发挥着重要作用，美国三大汽车公司70%电阻点焊生产线已被激光焊生产线所取代。特别是在半导体制造行业，激光加工技术已经广泛应用，美国现阶段仍处于领先的地位。

欧洲其他国家方面，根据英国光子学领导小组(PLG)和知识转移网络(KTN)的最新分析，英国的光电产业每年为英国的经济增长贡献129亿英镑，年增长率超过5%。依靠英国光电科技“产学研”一体化的创新生态，许多跨国公司也开始在英国开发激光加工产品。意大利激光加工市场龙头企业则是普瑞玛集团，集团因为工业4.0的概念而持续不断的投资。预计普瑞玛集团的销售额在未来的一年内将持续保持稳定的增长。瑞士的代表企业是百超集团，百超一直专注于钣金加工中的切割和折弯全工艺链的材料和数据流的自动化，产品包括激光系统、折弯机及其对应的自动化及软件解决方案。法国对激光材料加工领域的投资则是主要流向研发设施，而非生产运营。另外，法国激光制造业的一个重要而稳健的增长市场是航空航天工业，特别是法国赛峰集团(Safran)，在通过3D打印技术实现复杂航空零部件制造的应用方面一直处于全球领先。此外在东欧，俄罗斯在激光加工领域的发展速度正在放缓，其主要增长动力则是来自于汽车产业。

在市场营收方面，2019年全球激光市场总体需求不强。德国通快公司仍然能保持小幅增长。美国激光企业的表现大部分不尽人意，美国IPG、相干和恩耐公司营收和利润下降。欧美主要激光加工企业营收情况如图2所示。

图2 2019年欧美主要激光加工企业营业收入

从激光加工的细分领域来看，材料加工还是占据激光应用市场的主要地位。具体来看，高功率激光加工(切割、焊接)是目前的主要应用场景。从细分角度来看，材料加工的用途包括切割、金属焊接、打标、半导体、金属精加工等多种领域。从图3可以看出，在工业加工中，激光切割、焊接、打标是最重要的应用领域，三种应用占比超过70%，特别是激光加工行业的下游新兴驱动力非常强劲，这些驱动力来自智能手机、动力电池、激光雷达、3D打印与新型显示面板等领域[2]。

图3 2016-2019年全球激光加工细分领域分布

3 中国激光加工产业发展

中国作为全球最活跃的制造业市场，激光设备在工业市场销售收入占据激光设备整个市场的份额较大。2019年工业领域激光设备销售收入达到386.6亿元。信息领域激光设备紧随其后，销售收入约142.1亿元。商业设备后来居上，超过医学设备成为第三大市场，销售收入约54.8亿元。医学和科研用激光设备的销售收入分居第四和第五位。具体如图4所示。

图4 2018-2019年中国激光设备市场销售收入

中国制造业近年来发展迅猛，传统工业制造技术的更新升级，带动了激光加工设备的销售。应用于激光切割系统的光纤激光器数量在近年来平稳增长，激光切割、激光焊接等设备也在朝高功率方向发展。各个行业对激光加工设备的需求不断提高，激光加工设备的批量化生产，带动了中功率激光切割装备的快速发展，加剧了产品的竞争性，并导致中功率切割装备的毛利率越来越低，因此，激光企业开始向高功率产品进军。2019年高功率激光切割设备涌向市场，12 kW、20 kW、25 kW甚至30 kW的超高功率激光切割机已经问世。2019年，中国销售了约34 000台中功率激光切割系统和7 000台大功率激光切割系统。具体如图5所示。

图5 我国激光切割设备销售

从产业集聚效应来看，我国的激光加工产业已经呈现出较强的地域集聚性。产业集群具有产业之间及产业与其他机构之间的联系以及互补性，这种机制既有利于获得规模经济、互动式学习、技术扩散，有利于形成竞争合作关系和创新，中国激光加工产业正在从高速度增长不断转向高质量的发展。包括珠三角、长三角、环渤海、华中等地区都已经形成各具特色的产业集群[3]。

在华南地区，以广东省为代表的区域激光产业发展脚步不断加快，涌现出了一批具有竞争力的骨干企业，形成了若干激光产业集聚区。华南地区的激光产业主要集中在广州、深圳、东莞、惠州、中山、佛山和江门等地，并且随着多地政府斥资兴建3D打印产业园区，金属3D打印等技术及相关产业在华南市场获得了快速发展。

在华中地区，以武汉光谷为代表的激光产业集聚区在2019年市场整体表现不俗。锐科激光不断发力，先在无锡惠山正式成立全资子公司后，随后收购了国神光电51%的股权正式进军超快激光市场。华中地区企业乘着全球智力资源的东风，加速推进新兴激光技术产业化进程。

在华东地区，经过多年的培育与发展，江苏已成为继广东、湖北之后全国第三个激光产业聚集地。该地区的激光企业主要分布在苏州、南京、无锡、常州等地。另外，理波、通快等一批国外企业也把中国总部设在无锡、苏州等地。苏州高新区新成立半导体激光创新研究院，充分利用长光华芯已有的高功率半导体激光芯片优势。山东省重点打造济宁高新区激光工业智能制造产业园，并成立激光产业技术创新联盟，进一步推动政、产、学、研融合，凝聚激光产业创新驱动。

在东北、华北地区，以北京为代表的市场聚集了大批通信电子、航空航天等企业，保持了对激光设备的旺盛需求。鞍山高新区通过积极招商布局激光通信、激光加工、激光医疗等领域，谋划打造成国内领先、世界一流激光产业基地。

在西部地区，依托中国科学院西安光机所和西部天使基金，西安正成为新的光电子高新企业孵化摇篮。四川则在高精度激光元器件、超强超快激光等方面具备一定研发实力，并依托四川大学、中科院成都光电所、电子科大科技园等科研资源优势，构建“一园多点”激光产业示范园区，计划打造先进激光产品创新示范区和“中国镭谷”。

4 中国激光加工产业竞争力分析

通过对我国与欧美部分国家激光加工市场以及发展现状的描述，结合激光加工产业的特点，采用SWOT矩阵分析法识别中国激光加工产业发展所面临的机遇和挑战，为决策发展提供参考[4]。

4.1 激光加工产业的优势

(1)激光加工应用市场大，增速快。从产业竞争格局来看，欧洲、北美、亚太地区是全球三大重要市场。相对欧美，中国的制造业体量更大，上千万企业面临着生产设备的升级，我国目前已成为全球最大的激光应用市场[5]。近年来，中国激光市场增长速度已经超过了欧美等国，并且由于中国制造业全球龙头的地位，中国激光加工的应用市场还在不断扩大。

(2)规模制造成本相对较低，产品性价比高。中国制造的崛起，主要依靠较低的人力成本，换来的价格优势。而现在更多的是依靠提升核心光学元器件的自产率，或国产替代率水平来降低产品的单位成本，从而形成性价比优势。目前由于我国中低功率激光器国产化基本完成，国产替代大势所趋，在大量的激光加工设备方面，相对于国外厂商，在性能与稳定性基本相同的情况下，价格优势明显。

(3)国家与地方政府持续给予激光产业高度关注。作为高技术产业，激光加工长期以来受到国家产业政策的重点鼓励和大力支持，科技部《“十三五”国家科技创新规划》提出要实现高端产业激光制造装备的自主开发,大幅提升我国高端激光制造技术与装备的国际竞争力。各地方也支持打造激光产业园，并且产业园区已从一线城市向二三线城市发展。

4.2 激光加工产业的劣势

(1)缺乏核心竞争力。目前国内所掌握的激光技术与国外差距不大，但我国整体工业体系发展的基础薄弱，导致国产产品在耐用性、性能、稳定性以及大规模工业生产水平与国际还有差距。我国核心激光元器件还是依赖进口，例如核心光学器件，对激光加工装备的控制系统等。另外核心竞争力不只是技术，同时还包括供应链能力、生产交付能力、品质管控能力、售后服务能力等，我国激光加工产业还有较大进步空间。

(2)高端市场和专用市场市占率低。从高端市场和专用市场来看，国内企业与国外仍有差距，例如面板行业，由于起步较晚，工艺路线主要借鉴国外企业,导致激光加工设备进入门槛高，中游缺少高端产品，下游资源利用不够。

(3)龙头企业带动效应不明显。整个激光行业内企业的整合与协同体制机制还有所欠缺，“集群化”特征不够明显，企业之间更多的是以“单打独斗”的方式参与市场竞争，产业缺乏整合，集群缺乏凝聚力，还未形成网络复合式集群共生共赢的发展模式。

4.3 激光加工产业面临的机遇

(1)全球激光加工产业链逐步向中国转移。中国拥有大量中低端的加工需求，也造就整个激光加工产业链向国内进行转移。以光纤激光器龙头美国IPG公司为例，光纤激光器行业集中度很高，以龙头公司进行分析，从2013年的数据开始，中国地区的收入增速均远高于其他地区，同时从变化趋势来看，中国收入增速处于向上的通道，而其他地区收入增速逐年递减。

(2)新基建投资加快。“新基建”主要包含5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通等七大领域，涉及到通信、电力、交通等多个社会民生重点行业，其所涉及的层面与维度，均与激光行业有着渗透式的关联。“新基建”的落地，也使得工业互联网大有可为。基于工业互联网的各类云制造平台将逐渐释放价值，激光加工站将在云制造平台的支持下发挥出更大的功用，并跟随“一带一路”走进东南亚、中东、南美等国家。

(3)资本推动力量不断加大。资本市场中，锐科激光、帝尔激光主板上市，创鑫激光、铂力特、柏楚电子紧追科创板[6]。越来越多激光企业受到投资者的关注，加速了激光制造产业的发展。另外，很多公司借助资本加速整合完成战略布局，进一步开拓新领域和新市场。

4.4 激光加工产业面临的挑战

(1)国外企业注重研发，国内企业注重市场。国外激光设备龙头企业能够长期处于行业领先的位置，技术领先是必要的条件，这需要长期的研发投入。欧美企业有效研发投入比例较高，并且拥有强大的基础工业发展体系，使激光制造技术完成了从辅助技术到主流技术的转变，促进了欧美制造业整体水平的提升。国内企业虽然有研发投入，但还是以模仿为主，特别是终端加工工艺的探索与研究做得较少。

(2)激光加工产品存在同质化竞争严重、价格竞争无序等现象。由于近年来中国的激光市场增速迅猛，激光加工市场的竞争十分激烈，一些激光设备企业为了自身企业的利益，不惜打价格战来提升产品销售量，导致市场混乱。恶性竞争不仅导致激光加工设备生产出现了萎靡状态，也使许多商家的利益受损，更导致其行业发展在一定程度上受到影响，特别是极大的压缩了中小技术型企业的生存空间(见表 1)。