西安鉑力特已超500員工,王佳駿報告“創新設計與金屬增材制造”

3D打印人物
2019
10/08
09:28
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2019年9月19-21日,IAME中國(西安)國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技創新的開放合作共享交流平臺,匯聚全球頂尖的增材制造(3D打印)領域成果及人才,促進行業各環節、產業鏈的銜接融合。南極熊作為戰略合作媒體,到西安現場全程報道。


在09 月 20 日“增材制造技術與航空航天論壇”上,西安鉑力特增材技術股份有限公司項目技術總監王佳駿做了主題的主題是《創新設計與金屬增材制造》的報告。

下面是現場速記:

各位老師、各位專家,大家好!
非常高興鉑力特作為參會單位參加這個論壇,今天我分享增材制造和創新設計的報告。

然后,今天我的報告主題分四個方面,首先簡單介紹一下鉑力特,后面主要從三個方面跟各位專家、老師討論一下創新設計和增材制造一些關系,以及工程應用和展望。

首先簡單介紹一下鉑力特,我們的技術研究開始于1995年,鉑力特公司成立于2011年,這幾年,在產業同仁的共同努力下,增材制造產業發生了巨大發展在這種大形勢下,鉑力特也實現了跨越式的發展,2014年,我們自主知識產權SLM工藝設備正式面市,2017年獲得了全球首屆3D打印OEM大獎,2018年,我們作為空客的3D打印供應商,參與了相關項目的研制,在2019年的7月份,我們作為科創板首批25家公開發行股票的公司之一,正式登陸科創板。

公司目前有500余人,主營業務覆蓋了金屬3D打印的全產業鏈,包括設備、原材料和前端的設計、后端的檢驗檢測,還有金屬3D打印周邊一些輻射的業務鏈。從打印的材料來說,目前鉑力特在做基礎的金屬3D打印材料打印參數的研發,包括鈦合金、鋁合金、高溫合金、不銹鋼、銅合金、鎢合金等,還有很多難加工金屬。

設備序列中面向不同細分應用市場,鉑力特構建了比較成熟的設備體系,包括面向高精度的教育、醫療,面向于需要低成本化生產的模具行業,面向航空航天的高穩定性高質量要求的行業;另外,鉑力特構建了自己的大尺寸加工能力序列,包括BLT-S500、BLT-S600,也是目前在國際上具有競爭能力的大尺寸的SLM工藝設備。鉑力特也有LSF工藝和WAAM工藝的增材設備。

從整個后端檢測檢驗來說,鉑力特的檢測業務不僅包括了單純的無損檢測,還包括性能檢測, ,后處理方面的線切割、熱等靜壓等也可以在公司內部完成,這些配套設備和服務都是為了更好的服務我們的用戶,更好地推動增材制造的產業發展。

下面就進入這個報告的主題——增材制造技術與創新設計、應用導向。

先做一個簡單的介紹,因為在座專家對3D打印技術都比較了解,這邊就不做贅述了,我們理解3D打印對真正的設計端的影響,其優勢就在于可以構建多尺度,3D打印的加工原理很容易理解,就是基于離散和堆積的原理,先微分再積分,所以我們可以把粉末離散成非常細小的結構,逐點、逐層、逐面、逐線加工起來,傳統的剪裁制造來說,這個加工難度比較大,加工需要受限于我們的機械結構、或者一些模具的影響。

那么,金屬增材制造作為目前眾多3D打印材料成形方式的一種主流分類,對比其他材料的增材制造方式,也具有新的挑戰。金屬是航空航天或者工業領域主要應用的材料,航空航天領域對金屬零件的質量要求更高,同時因為金屬增材制造是一個復雜的熱加工過程,所以工藝難度也會更大。但是,更大的工藝難度也給金屬3D打印應用帶來更高的潛在價值,我們則一直致力于把金屬增材制造潛在價值真正挖掘出來。

毫無疑問,前端設計就是一個非常關鍵的先導段,增材制造的技術,包括修復和再制造,具有以下特點和優勢:無模具化、快速迭代、快速驗證、快速制造,這些優勢也支撐了增材制造的整體發展技術脈絡。早期增材制造主要面向的新產品科技研發,,驗證一些裝備配件、驗證一些結構的成熟性。

后來發展來看,醫療領域的用戶開始應用增材制造做個性化的定制,包括我們的文創領域,包括有一些單件小批量的生產,國內增材制造發展到2014年、2015年,很多用戶已經通過增材制造的技術驗證,增材制造這個技術是可靠的,可以用來做代替加工,代替傳統復雜難加工的零部件的加工,所以,大量的應用始于這個節點,很多的用戶開始用增材制造做傳統難加工的結構,這個案例可以說層出不窮,今天很多專家跟各位分享了增材制造,展示的非常巧妙的的應用案例,或者非常有價值的應用案例,這邊就不逐個解釋了。

另外,高性能修復也是增材制造發展路線上,逐漸被人們所熟知和應用的技術,通過高性能的修復,通過很小的成本挽救原始價值很大的零部件,比如說一些零部件、計加工損傷的、一些鑄造的鋼和鐵的缺陷等等。

增材制造面向國內的應用是始于替代式加工,面向國外的應用,我們看到不管是GE、空客,還有洛馬等等,一開始用增材制造,有一個重要的用戶導向就是最優化設計、提升產品的性能,不管是從航空航天或者汽車領域、或者是工業領域,是從追求輕量化來說,還是從一些功能構件的考慮,提高流動效率和熱管理等等,還有醫療上考慮的生物能量等等,這一系列的導向性就是怎么樣通過設計來提升,毫無疑問,真正讓3 D打印技術這么倍受各位專家、學者關注,最優化設計、提升產品性能是非常重要的一個價值點。

從多尺度結構來講,其實咱們自然界多尺度的結構來源,很多都有自然界的衍生規律,包括人體的骨骼結構,我們從微觀到宏觀,它這個結構是顯著不同,包括飛行器的概念,是來源于我們的飛禽,還有一些建筑結構是來源于大自然的樹木或者樹葉的葉脈等等,可以說大自然給我們很多啟示,大自然本身所有生物的構成就是一個生長的過程。所以,增材制造的客觀規律和大自然的生長規律是高度一致的,毫無疑問,通過增材制造可以更有效的體現我們多尺度結構的概念,應該說目前除了增材制造技術,沒有第二種加工技術,可以這么高度適合來實現多尺度結構的構件。

第二部分簡單討論一下增材制造技術與產品設計創新,我們的一些思考和聯系。

首先,我相信作為產品設計者,作為一個產品的開發者,產品設計的導向性就是我們想設計出來最優的結構,包括如何降低我們一些產品的能耗,提升我們產品的競爭力,最終想把產品推向市場、面向市場,去和用戶做更緊密的聯系。那么,從產品的優化推進來說,主要包括了結構、材料和工藝,每個端口我們設計者都在付出很大的努力。比如說從材料端,毫無疑問,航空航天領域流傳一句話,就是一代材料決定一代裝備,材料的發展支撐我們裝備的發展。

那么,作為我們結構來說,結構輕量化是設計者價值最終體現的一個地方,同一個方案,不同設計者面對設計書時,會有不同的理解、有不同的設計輸出,不同的設計輸出就有不同的產品性能優劣之分,通過優劣的逐步驗證、逐步迭代,才可以推進零部件一步、一步去發展、去成熟。

第三點就是我們的工業端,從咱們早期材料加工的發展歷史來說,包括熱加工、鑄造焊、包括后面的3D打印,冷加工像很多常用的冷加工技術等等,現在可以說我們能應用的加工技術,基本上一個成熟的設計師或者比較熟悉的工業員都可以列舉出來。所以來是,我們可以看出來從材料、工藝和結構端做工作,相對來說,結構端是設計者最容易推動的一個方向。

從加工歷史發展來說,我們可以追溯到很早的時候,石器時代我們只有簡單的工藝、簡單的結構,這個結構就實現一個簡單的功能,后面我們有復雜的工藝,我們可以用一些復雜的結構實現復雜的功能,3D打印現在告訴我們,從簡單的工藝可以實現復雜結構,這個復雜結構實現復雜的功能,最終一代、一代設計者做努力,我們就是想通過一個簡單的工藝、用更簡單的結合實現更復雜的功能,這個可以說我們設計界的一個愿景。

從剛才的思考,我們可以討論這兩個問題,就是一個設計者單純從材料和工藝端來推動,我們想獲得的變革,可能難度是比較大,因為這個材料的變革就是很局限的,比如說像我們鈦合金,面市以來基本上30、40年,現在還是作為我們鈦合金的主流牌號在使用,可見整個材料的發展,很難呈現一個突飛猛進或者一個跨越式的發展,還是循序漸進的發展。

工業端也一樣,這些年這些工藝技術也就那么多,相對來說,從結構端來講設計人員容易做這個工作,毫無疑問,我們設計人員考慮產品設計的時候,優化工作是非常重要的一個組成部分,但是我們如果要面臨增材制造,或者我們有的零部件要做增材制造的話,毫無疑問,這個工作勢在必行,為什么呢?如果我們還在傳統設計路線上做工作,第一個我們產品的功能性往往達不到一個最優化,很多首先要受到傳統加工技術的制約。

第二點,增材制造現在成本還是偏高,怎么樣通過這個增材制造的一些邏輯控制成本,這個就很關鍵,增材制造不再像傳統加工技術,我這個零件越復雜,模具就很難開,要上多軸機床,工時費也會相應提高等等,使用傳統加工技術的話,零件越復雜成本越高。影響使用增材制造技術加工的零件的成本的主要就是兩個因素,一個是零件的質量,一個是零件的加工時間,毫無疑問,如果我們可以通過一些設計方法的迭代、設計手段的介入,把這個零件做得更輕,就可以節約很大的成本,也會節省加工時間。

綜合來說,我們用增材制造可以解決成本的問題,最終降低復雜零件成形的成本。

我們把增材制造當成一個設計和工業耦合的系統去理解,不單單是把它割裂成一個工藝端的事情,還是像傳統設計工藝流程一樣,設計人員完成圖紙、模型的建立之后,下圖給工藝端,工藝端根據圖紙制定工藝流程,最后把這個零件制作出來,如果中間有一些問題,工藝人員要反饋給設計人員,要做設計更改,但是設計人員在這么冗長的一個工藝流程下,很難做到每一步工藝流程他都是非常熟悉的,這個交流代價是非常大的,3D打印就顯著忽略了設計和工藝的界限,能把設計和工藝很好的融合,如果設計人員可以充分了解增材制造的價值和增材制造一些設計的規范,設計完之后由數模驅動就可以打印,可以非常快速的提高設計的流程,用增材制造發揮它應有的價值,而不是為了增材制造而增材制造。

在理念端理解就是,我們怎么樣轉變為設計引導制造,把功能最優化放在第一位,通過一些最優化設計的方法,通過一些仿真工具的介入,來幫助我們設計者更好的實現更輕、更強的、更具功能性的零部件。

很簡單的一個案例,一個典型的零部件,在增材制造技術介入時,我們往往考慮幾個問題:能不能打,怎么樣適合打,怎么提升打印價值。我們規劃了一個流程,這個素材來源是來源于一個公司的簡單案例,整個的流程,我們覺得使用增材制造可以很好的跟結構優化相結合,包括可行應用和評估,包括整個設計端怎么樣基于一些增材制造特有的優勢,來做一些設計,完成工藝鏈條的處理,做這些工作目的肯定要有結果實踐的。通過設計的介入、設計方法的計算,他可以獲得相當大的收益,這一點就是我們增材制造考慮設計優化的一個價值點,并不是說我們直接拿一個零部件,3D打印出來,就體現3D打印的價值,3D打印被賦能端就是前端的設計端。

還有點陣結構,現在應用越來越多了,包括用點陣結構做一些填充結構的替換等等,我們使用很簡單的點陣結構,做成一個很高效的結構,就是說已經近似實現結構設計端的核心訴求,實現強度、承重等性能要求,把重量的冗余降到最低,把每克材料都用在該用的地方。點陣結構或者說點陣的多尺度結構,在未來是一個非常有價值的方向,當然這個應用場景很廣闊還需要不同行業的應用專家來做思考,來考慮相應的這種點陣結構,在他的領域中去怎么樣組織,怎么樣調整它的疏密,怎么樣構成它的宏觀和微觀結構的過渡等等。

最后一部分就是簡單介紹一些工程展望,因為在會上很多專家,也從國內外整個大的形勢、國內外的典型案例做了介紹,這邊就介紹幾個鉑力特做的,或者我們一些用戶所提到的案例。

第一個就是一個很簡單的轉向節,這個金屬3D打印的轉向節替代了傳統鑄造的風險性,轉向節結構如果用鑄造來做,像這種壁厚存在薄厚不均勻的現象,缺陷很多,單件成品率很低,就導致成本很高,用金屬3D打印的話,直接打印也可以打工,為了保證真正發揮金屬3D打印、增材制造的機制,我們可以通過一些設計方法的介入,考慮零件怎么樣做到更優,這個跟相關用戶做了幾輪的迭代,獲得了比較好的效益,獲得了重量的減低,還有成本的降低。

第二個就是傳統設計和優化設計的邏輯關系,傳統設計者也用到很多設計方法,費盡心血也做了設計方法的改進,傳統設計中基本上下了很大的工夫,但是這個是不是最優的,我們通常會多問一句,基于增材制造我們可以把這個問題更細化的來討論,我們怎么把傳輸路徑確定下來,現在有一個方法,就是拓撲優化甚至更新的設計,這一系列方法都足以支撐我們獲得更優的零部件,這個最優的方案怎么實現呢?毫無疑問3D打印是唯一無二的方法,如果設計者在最初考慮到3D打印,在設計中會少走很多彎路。

還有大型尺寸的零部件打印,這個是偏展示的案例,現在工業輪轂不會用金屬3D打印,因為成本比較高,這是Form next2018上鉑力特的展品,設計了一個從表面的拓撲結構等是一體化制備的輪轂,展示的就是就是BLT-S600設備在大尺寸輪轂的精細化打印能力。

還有現在比較火熱的創成式設計,隨著計算機技術的發展,我們完全有理由相信,很多設計的設想在不久的將來,甚至很快在我們眼前就可以實現,通過人工智能、通過一些機器學習的算法,由計算機告訴我們設計的走向,設計者要把工藝綜合考慮,就可以很快速的得到最優化、或者逼近最優解的結果。

金屬3D打印不僅在結構件的應用上,功能性也是金屬3D打印非常重要的方向,怎么提升散熱片的散熱能力,3D打印提供了一個很好的路徑,還有更進一步基于3D打印路線路線,我們可以考慮工藝路線的遺傳性,實現3D打印算法的迭代,這個是跟西北工業大學相關專業的教授團隊合作的項目,我們考慮3D打印優化的一些探索,目前還在基礎的層面,我相信隨著3D打印的應用和發展,很多工業驗證的問題會被設計者所關心,我們應該超前一步考慮這個問題,我相信隨著3D打印和計算機技術、計算技術的發展,很多我們現在認為很難的問題,很棘手的問題,我們用發展的眼光看,在很短的時間內就可以解決,不是為了3D打印而3D打印。

鉑力特相信金屬3D打印可以讓設計更自由,讓制造更簡單,世界更美好。謝謝大家!
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