華南理工大學教授楊永強:金屬3D打印技術前沿與挑戰

3D打印人物
2019
10/09
12:02
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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,在西安現場全程報道。


2019年9月 20 日“增材制造工藝與裝備論壇”,華南理工大學教授楊永強做了《金屬3D打印技術前沿與挑戰》的專題報告。

下面是現場速記:

我給大家介紹一下金屬3D打印技術前沿,這兩天的主題大都關于增材制造,增材制造有很多種技術,很多專家都講了很多,我就不一一展開了,我們只聚焦在金屬增材制造方面。金屬增材制造目前來講主要是以激光電子束為主,可分為鋪粉方式、粉末床方式、以及送粉方式,而電子束也分為送粉和鋪粉兩種方式。近年來3D打印熱起來以后,隨著各種各樣的需求,一些傳統的弧焊焊接方法引入到3D打印中。在去年,粉末粘接技術得到了國內外的重視,所以說目前金屬3D打印技術是以激光電子束弧焊為主,附雜一些其他技術。


其中最主要的技術是激光選區熔化,是把電子束和激光選區熔化結合在一起。作為目前最有競爭力或發展最好的一種金屬3D打印技術,激光選區熔化這方面有很多的特色,可以直接做到比較高的精度以及比較高的表面質量、內在質量,也是目前非常具有競爭力的工業技術。但是它缺點在于尺寸約束,雖然激光選區熔化在精度、表面粗糙度方面相對來講比較高,但真正拿到工業上面去應用的時候,表面質量、精度方面還是差一些。除此之外,最大的問題就是它的成型效率,成型效率是制約這項技術發展的瓶頸問題。當然相對于我們現有的機械加工方式,激光選區熔化技術的的確確給我們提供了極大的便利,如果解決了高精度、成型效率、尺寸約束,這項技術未來得發展前景非常廣闊。





國外EOS公司是金屬3D打印技術最具代表性的公司,目前他們在市場上有兩個標準機型設備占據市場主導地位,其次,SLM Solutions公司是專注于激光選區熔化的公司,他們的技術也比較好,而Concept Laser除了在醫學應用比較成功以外,更大的突破在于大尺寸方面以及在航空航天的應用方面,Renishaw公司目前也有幾款跟主流公司差不多的設備,在國外大概就這幾家公司是比較好的金屬3D打印技術公司,國內的這一塊因為我沒有拿到他們的第一手資料,所以我就不介紹了。

華南理工大學最早在2004年做出第一臺激光選區熔化設備,后來又陸續開發了DiMetal-240、DiMetal-280、DiMetal-400等不同功能的設備,我們做了很多的工作,也做了產業化,從2013年開始,包括桌面機、面向牙科應用的DiMetal-110機、標準的DiMetal-280機、增減材復合機以及大型工件方面承擔了大量的工作,我們在這方面的專利比較多,授權發明專利將近50件。其中在醫學領域,我們做了很多研究,華南理工大學在醫學植入體方面被第三方檢索專利數量排在第一位。很多人認為很奇怪,華南理工大學為什么會有這么多專利呢?因為工作開展時間比較久,2007年2008年就開始做一些應用工作,大家清楚金屬3D打印,尤其是在2010年甚至2012年之前,國內做激光選區熔化的人還是比較少的,而我們在這上面就已經做了很多年相關工作。在醫學植入體方面,包括口腔外科以及關節我們做過大量的項目課題,現在我們牙科以及膝關節方面相關研究正在北京取證,這是國家政策和醫療許可方面特殊的限制,很多這方面的產品目前還沒有完全用在臨床上,但有一些做的還是不錯的。








這是我們廣州產業化的公司—廣州雷佳增材科技有限公司,主要是做各種各樣用途的金屬3D打印設備,我特別強調一下小的設備精度是目前做的最好的,我們曾經做到大概25微米的精度,國內外設備這方面這么高的精度很少,我們這家還是比較有特色的。我們做的零件非常精細,當然其他的廠家也非常多,有很多的雷同我們DiMetal-280、DiMetal-500這樣的設備,我就不講了。因為我們做金屬出身,現在不做尼龍不做塑料,而是做尼龍樹脂包覆的金屬粉末成形,主要是應用在核電屏蔽零件方面,在這方面我們做了不少工作。



金屬3D打印技術前沿的幾個問題,包括尺寸限制、精度、效率和材料,而多材料需、梯度材料的需求在真正的工業中是很重要的部分。

首先在大尺寸復合制造方面,我們自己做了一些工作,前期的工作我借用國外一些報道,在大尺寸方面美國一家公司他們利用弧焊方式做了一艘游艇,堆積增材以后,可以分幾段打印成一條船。國內一些單位也在做弧焊方式成形,甚至用更大的一些設備做這樣的成形,國外也有人在做,我們也做類似的工作。這一部分應該說是為了做大,昨天的講座主要是以激光為主,激光的效率相對比較低,弧焊用起來是比較好的,甚至做一些像汽車上的一些零件,包括這么大的一些框架零件制造,這些都是很好的發展前沿。當然時間周期也比較長,需要解決材料、變形以及設備方面的問題。

不管送粉方式激光,還是弧焊方式激光,只能做一些接近的方面,增減材的效率比較低,現在國內做的人比較少,我們也不往這方面主要發展。增減材方面我們做過一個項目,用機器人等離子做增減材項目,增材用激光或等離子,減材是上面加一個高速的電主軸進行高速銑削。這個項目我們去年承擔了廣東省的重點研發計劃,搭建了兩臺機器人,一臺機器人做增材,一臺機器人做減材,做增減材復合制造。增材做完以后可以換一個銑削頭,我們也做了幾套這樣的設備,這一套是我們實驗室的增減材系統。我們用送粉的方式,用等離子來做,成形效率非常高,粉末利用率也非常高。目前等離子成形相對來講比較粗糙一些,但銑削以后基本上接近于機加工的形狀,等離子的效率比較高,同樣用激光也可以做這些東西。





此外,我們專門研究了激光送粉頭,現在北航、西北工大也做了很多送粉的增材,做的非常好,但是在送粉頭方面,最早我在2001年、2002年就做了孔式的送粉頭,這個送粉頭是用3D打印來做的,激光加上送粉的通道,再加上水冷通道,用四個因素集中在一起。我們這個噴頭有點像GE公司的噴嘴,我們做了兩款,在這方面做了一些試驗,測試效果非常好。在噴頭材料方面,現在看到的這些噴頭大部分是用銅做的,而我們是用不銹鋼做的。



在高精度方面,我們做的精度非常高,光斑非常小,激光功率只有75W,我們做過一些比較精密的東西,比如手機上某一個零件,對尺寸和表面粗糙度要求非常高,因為這個形狀很奇怪,基本上不能加工,要求做出來以后簡單的處理就可以用上。我們跟國內一家非常大的公司做了這方面的測試,第三方檢測實驗結果顯示致密度非常高的,表面粗糙度達到了6微米,并且要求硬度也比較高的。3D打印大家通常的說法是單件小型量,而他們要求一天10萬件,我們設計了一個方案,一個模塊是一組,同時這么多模塊又一起做,可以滿足數量要求。后面我們也做了一套完整的方案,包括上料下料、高效率、后處理等。現在這些我還沒有用上去,主要是由于手機公司要求非常高,我們在前期在做一些相關工作,做一些小的精密零件,批量生產。

在高效率方面,目前我們的技術是粉末粘接,現在國外有幾家公司,像惠普他們也有人介紹這方面的工作。這種噴粘接劑的方式,也屬于粉末床,把金屬粉粘接起來固化,這方面用途很廣。我們也是剛剛做這方面的工作,就沒有把我們的工作過多的展示。這個技術的效率非常高,據說比我們現在的要快100倍,后面加上燒結以后可能會稍微降低一下效率,但這個技術也是非常有競爭力的。因為它不需要激光也不需要電子束,只需要一個噴頭,噴出像墨水一樣的東西粘接起來,我們正在開發這個設備,這個成本更低,效率更高,這也是一種新的技術。

在多材料方面,華南理工大學這些年做過一些工作,專門開發了一款上面有四個漏斗,同時四種材料可以送出來,理論上可以做到鋪一層A,鋪一層B,鋪一層C,鋪一層D的復合材料。具體的這種方式怎么鋪粉怎么設計,都有一些專利,大家可以看一下。關于多種材料,如果能做成數字化的,把這幾種材料用數字化的方式調整材料的成分,上面有四個漏斗,可以調整到不同比例含量,最后形成一種新的合金,那么就能達到數字化的要求,同時還可以做成梯度材料,在某一個方面進行梯度變化,此外,還可以做成原位合成,可以有選擇性的做一些點線,用含氮氣體做成氮化物。現在還可以做成梯度的多孔材料,成分和密度上都有變化,在一個零件里面,在一個立體的方向可以在不同的位置有不同密度、不同尺寸形狀的碳化物、氮化物新物件存在。這是我們成形的多種材料,下面是不銹鋼,上面是銅的,用三明治這種方式,可以達到三種材料。甚至可以在XY方向上變材料。像齒輪的輪廓是一種材料,里面是另外一種材料,這種成形難度是比較大的,目前還沒有看到有報道用金屬來做類似的東西。關于多材料我們也做過一些測試,界面系數不銹鋼的可以達到77%多,組織微觀結構、成分梯度和多孔材料的壓縮行為等等都測試的不錯。如果做研究,有很多學者可以在這方面做非常多的工作,大家可以關注一下。





其實金屬3D打印遠沒有成熟,有很多東西沒有解決,需要我們做很多的努力。剛才說的多種材料就有一些需要完善的地方,比如材料怎么分離,做完以后粉末不能用,大尺寸、增減材以及多能量場等方面工作還不夠。如果我們把激光電子束、微波、等離子各個方面都能用起來,3D打印就能夠有更加完善的方法。包括國外在內目前最主要的設備問題是在線監測、在線反饋修復和閉環控制等問題,我們做這些設備功能都沒有完善,所以這里面留給我們的工作還是非常多的。此外,還有批量化的設備,這也是我的設想,如果有這方面的需求可以做的更好。

在材料方面,都說金屬3D打印用的通用材料,什么材料都可以用,但真正用起來的時候就會發現,如果你對性能和質量沒有要求,打一個東西看一看是可以的,如果你有性能要求,尤其是現在力學性能、表面性能以及內在疲勞性能的要求,這個材料的關系就非常大了,需要我們做很多的工作。還有一些常規用到的材料,比較關鍵的一些材料,目前3D打印做的時候工藝上面不能實現或者存在很多的問題,最主要的問題就是粉末材料相對比較貴,真正離工業應用較遠,這方面需要做的工作還有很多的空間。目前3D打印整個的市場或者產業,更多的是賣設備,更多的應用還沒有開展起來,未來這方面隨著3D打印技術的普及,在更多的工業領域里的應用,尤其像模具、醫療方面,技術突破以后,3D打印的未來不止100億美元,甚至有更大的市場,所以金屬3D打印從業者,后面的市場還是非常多,面臨的挑戰也是非常多的。

我的報告就到這里,謝謝大家!

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