華南理工大學(xué)楊永強：基于機器人的等離子/激光增減材制造技術(shù)進展

2019年6月28日，激光制造與再制造技術(shù)及應(yīng)用研討會 在北京興基鉑爾曼酒店召開�,，F(xiàn)場專業(yè)人士眾多,，南極熊3D打印網(wǎng)是本次研討會的合作媒體。


下面是現(xiàn)場速記,，或許有些不完美之處,，但總體上干貨信息量很大，值得閱讀,。

楊永強老師,，他來自華南理工大學(xué)，也是博士生導(dǎo)師,，合作研究院的院長,，也是長期從事3D打印這一塊的相關(guān)研究，二三十年做這一塊,。

主持人 李懷學(xué)：好,，尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)老師,，各位專家，各位同行,，今天非常榮幸組織這個會,。我是來自航空制造技術(shù)研究院李懷學(xué)。下面,，因為上面的報告王總從航空及結(jié)構(gòu)設(shè)計制作,，包括整個需求這一塊跟增材制造，包括其他的相關(guān)先進制造技術(shù)結(jié)合這一塊,。鐘老師提的是前沿性的技術(shù),，把超快激光微納結(jié)構(gòu)制造結(jié)合到一起，具有非常獨特的性能,，也是未來非常前沿的技術(shù),，包括前沿應(yīng)用這一塊，是非常精彩的報告,。下面邀請楊永強老師,，他來自華南理工大學(xué)，也是博士生導(dǎo)師,，合作研究院的院長,，也是長期從事3D打印這一塊的相關(guān)研究,，二三十年做這一塊,。大家以熱烈的掌聲歡迎楊老師給我們作報告。

    楊永強：好,，謝謝李懷學(xué)老師的介紹,。今天很榮幸來參加激光制造和再制造的會議，其實我本來也是做激光的,，今天有很多老朋友,，包括鐘敏霖我們以前是在天津的同事，大家都發(fā)展得比較好,。
    其實今天的報告,，我平常是做3D打印報告，一般都是講激光選區(qū)熔化和鈦應(yīng)用方面的東西,，今天我等于算跨了界,，也不算跨了界，我講的是現(xiàn)在最熱門的幾個話題：
    一個是增減材�,，F(xiàn)在說增材制造,、3D打印，發(fā)展到今天,，其實慢慢都面臨著工程化的應(yīng)用,。面臨工程化的應(yīng)用,，都面臨著很多具體要求，精度,、表面質(zhì)量那些東西,，僅僅是增材制造已經(jīng)達不到了。
    第二,，還有一點是機器人,，因為機器人是和我們現(xiàn)在3D打印包括激光同等水平的一個熱門話題，現(xiàn)在也專門有這方面的一個課題,。
    第三,，這里邊我又拋出來一個等離子，今天跟我們激光的主題不完全一致,，但是它也是屬于高能束的一種,。
    現(xiàn)在我們做增材制造，現(xiàn)在主要主流的是激光和電子束,，其實大家不要忘了,，我們高能束里面講三束，除了激光,、電子束以外,，還有等離子體。等離子體作為高能術(shù)的代表,，其實它應(yīng)用過去遠比激光要廣泛得多,，切割，包括表面的處理,，董老師這邊以前也做過很多等離子的東西,。包括再制造，現(xiàn)在切割發(fā)展得非�,？�,，但是要主流還是等離子占的份額比較大，所以等離子作為一種非常有用的高能術(shù),，除了過去做焊接,、表面處理、切割以外,，最近也引入到我們說增材制造里面來,。為什么，因為以前它也可以做激光做的事情,，電子制作,，都可以做，只不過它的束棒更大，做出來的東西更粗糙,，不加工是很難使用的,，但是如果將來減材，等離子競爭也非常強,，因為它的效率非常高,，后面我們會跟大家介紹。
    由于剛才講了這個話題,，增減材是現(xiàn)在非常熱門的一個發(fā)展的方向,，其實全國的情況，國家重點研發(fā)計劃我也知道有這方面的支持項目,，廣東省也支持了好多這樣的項目,，不是一個，很多這樣的項目,，我們也拿到過,，包括我們現(xiàn)在也在做相關(guān)的東西。如果用等離子做增材,，包括跟減材復(fù)合,，它更注重大的零件，包括現(xiàn)場修復(fù),。今天董老師出了一個題,，激光制造再制造，我把重點放在再制造這一塊,，等離子做現(xiàn)場修復(fù)有的時候比及更靈活一點,，尤其是選擇一些比較大的，包括我們在航空,，包括像核電和其他的一些比較大的零部件這一塊的應(yīng)用,，可能會更好,。
    機器人來做增減材有什么優(yōu)勢呢,？機器人是一個移動的平臺，而且它的整個的活動范圍,、臂長可以很大,，所以現(xiàn)在我們開發(fā)的這套機器人的系統(tǒng)有單機器人、雙機器人的,。單機器人的這個系統(tǒng),，其實我們就和傳統(tǒng)的機器人的加工很接近了，就是我機器人像換了個刀具一樣,，我換了一把等離子槍過來進行增材,。我也換了一把激光，為什么叫等離子激光，我也可以用激光,，把它騰過來,。我也可以同時再抓一把，所以它是一種減材,，再變成加工處理方面比較方便,。
    兩臺機器人如果在實驗室里面很方便，我現(xiàn)在實驗室有兩臺機器人,，一臺機器人做增材,，一臺機器人做減材，靈活度要求不一樣,，因此是非常好的一種可以解決我們說現(xiàn)場修復(fù)大型零部件,，尤其像大的零部件，包括幾米甚至更大的零部件用這種,，其實比數(shù)控系統(tǒng)更方便一些,，當(dāng)然它本身也存在它的一些問題。
    我們現(xiàn)在搭建的這套系統(tǒng)是六軸機器人,，兩臺六軸機器人,，加上兩個機器，一共14個軸,，所以它起來實際上控制的因素比較多,。這個機器人，刀庫,，除了刀具以外,，等離子和激光，可以送粉和送絲,，因此它可以說是適用性比較寬,，包括我們專門研發(fā)的等離子的熔復(fù)投（音），包括激光的熔復(fù)投,，有一些相關(guān)的東西,。
    機器人系統(tǒng)，我們說修復(fù)也好,，或者它做大零部件增材制造也好,，還有一個就是監(jiān)測的問題，因為現(xiàn)在在增材制造過程中有沒有缺陷,，有什么問題,，有一個在線的監(jiān)測和離線監(jiān)測，我們也做了工作,，就是有一些在線的要監(jiān)測的平臺,，還有回溯的一些功能。
    因此，這套系統(tǒng)我們把搭建的機器人,，單機器人和雙機器人系統(tǒng),，這兩個系統(tǒng)是根據(jù)你的需要，你的預(yù)算可以選擇兩種不同的方式,，加上在線監(jiān)測質(zhì)量回溯,，以及控形控細方面研究以后，我們在很多工程院進行應(yīng)用,。我們前期已經(jīng)做了一些工作,，包括送絲送粉的，有等離子,、激光的,，都做了。同時機器人拿這個進行銑削,，最后質(zhì)量也是不錯,。材料，目前我們涉及到炭鋼,、不銹鋼,、鋁合金、高溫合金,，主要是粉材,，也有部分絲材做這些工作。這是我們做的一些機理方面的研究,。
    應(yīng)用方面,，我們這次也承擔(dān)了一個項目，主要是做輪胎模具,，這個模具很大,，可以看一下下面的這張照片，它直徑大概5米以上,，它的結(jié)構(gòu)也不是特別復(fù)雜,，但是它也是凸起的結(jié)構(gòu)。過去銑削這個東西相對來講工作量比較大,，我們就是用這種等離子堆積的辦法給它做結(jié)構(gòu),，然后再通過原味（音）銑削。更重要的技術(shù)是磨損和損害以后的修復(fù),，還有一些航空和法蘭盤這些不同的零件，核電里面大的零件,，大的很大,，基本上我們沒有辦法移動它，只有把機器人弄過去，把它損壞的地方銑削,，銑一塊下來,，再堆上去，再銑削,，這樣去做現(xiàn)場修復(fù),，這樣的東西。
    下面我介紹一下我們?nèi)A南理工大學(xué)團隊,，在這方面的一些工作的進展,。我們這個團隊是依托了國家金屬材料漸進成型工程技術(shù)研究中心，我們也是這個中心的一個團隊,，當(dāng)然,，我們也有一個廣東省金屬增材制造的研究中心。我本人在這方面做了一些工作,，我的團隊主要是有幾個,，大概五位教師，還有研究生,。我們研究生比較多,，博士一年是一個，但是像今年有兩個,，我們是有工程博士,，碩士我們一般大概2到4個，這兩年都到4個,。另外還有非全日制的專碩,，也是考上來的，現(xiàn)在學(xué)生比較多,，但是學(xué)生就是還是流動性比較大,，我們也有一支專業(yè)的研發(fā)隊伍，所以在工程化這一塊,，我們還是有比較多的人員,，包括這個項目，除了我們單位以外,，還有其他單位我們來做這個項目,。
    我其實主要是從2002年開始，主要是做激光熔化這方面的東西,，我們2004年就做了國內(nèi)第一臺金屬鋪粉的設(shè)備,，后來陸續(xù)又研發(fā)了很多型號的設(shè)備，包括專利現(xiàn)在大概300多項,，授權(quán)的發(fā)明專利也有49項,，所以現(xiàn)在這個方面的知識產(chǎn)權(quán)還是比較多的,，我們也在鋪粉領(lǐng)域拿過一些所謂的獎，就是做過一些工作,，我們現(xiàn)在在廣州做專門產(chǎn)業(yè)化,，像最小的50機，100,、300的機器現(xiàn)在也在銷售,，主要用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。有的像增減材復(fù)合機器,，（英文）S的這一系列,，它是在鋪粉的增材過程中也加了銑削，我們也有大的設(shè)備來做,。所以我們這一塊做比較多,。
    還有一個比較有特色的就是多材料的金屬打印，主要它從上面可能有四種材料,，可以每一層鋪不同的材料,，這里可以做什么？在高的方面,，我們可以做不同的材料,，這個其實是很有用的一個東西，就是包括三明治的結(jié)構(gòu),，或者是其他結(jié)構(gòu),，我們也做了一些東西。像這樣下面是鋼,，上面是銅,，再上面可以用另外的材料，可以用不同的材料,。
    甚至我們現(xiàn)在前期的一個項目,，在一個平面上不同的位置，也可以呈現(xiàn)不同的材料,，這是前邊包括梯度結(jié)構(gòu),、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，也可以有材料的變化,。應(yīng)用方面,，醫(yī)學(xué)主要在口腔科方面做過很多工作。
    其實這次來北京,，我的安排也很緊,，前天參加了一個藥監(jiān)局的關(guān)于核能修復(fù)體植入體的一個項目申請醫(yī)療器械許可證的評審，因為這個領(lǐng)域里邊,，我看有很多成果進入到臨床,，這方面應(yīng)該是不錯的,，我們也在外科做過很多工作,，今天主題不是講這些東西,，我就不講了。包括專利方面,，其實我們在3D打印植入這一塊,，華南理工大學(xué)的專利是第三方統(tǒng)計，我們在里面排在第一位,。因為我們做得比較早,，我們2004年開始做這個機器以后，當(dāng)時想找應(yīng)用,，在模具里面,，工業(yè)上面我們沒有好的條件，能夠涵蓋應(yīng)用,，其實我們主要在醫(yī)學(xué)方面用,。醫(yī)學(xué)方面，我們就跟很多醫(yī)院基本上口腔,、外科,，甚至眼科都做過很多工作，所以我們也申請了很多的專利,。
    包括這個增減材這一塊,，核心零部件的研發(fā)，主要是一個等離子的熔復(fù)投（音）,，這個等離子的熔復(fù)投我們前期跟烏克蘭有團隊也合作,，他們是做等離子方面非常厲害，這一塊也做了很多基礎(chǔ)的研究,，包括等離子的設(shè)計優(yōu)化以及模擬,，這里簡單過一下，因為等離子這一塊做的物理方面的東西,，我也不是很懂,，我們團隊做了很多這方面的工作。它也是一個同軸送粉的東西,，但是應(yīng)該說這方面的效果還是不錯的,，尤其是我們把送粉的熔復(fù)投、等離子投應(yīng)用在增材制造這一塊,，應(yīng)該說效果還是非常好的,，這是不同的條件下的一個仿真研究。
    除了等離子頭以外,，現(xiàn)在做等離子頭非常少,，一般只能到做焊接的廠家,，基本他們都是仿制國外，所以研究也比較少,。我們激光的噴嘴這一塊我們也做了一些工作,，包括像這種三孔的，現(xiàn)在在市場上銷售的,，好多人都是紡織德國的產(chǎn)品,，三孔的這樣的噴嘴，我們其實很早就做過,，2009年的時候就做過三孔的噴嘴,，一體化。現(xiàn)在噴嘴都是機加工,，我們把它一體化設(shè)計,，用三維打印方法做這個噴嘴，包括它的中間激光的通道,、粉末的通道,、保護氣體的通道，以及里面所有空間的地方,，我都給它變成了水冷的通道,。
    現(xiàn)在這個噴嘴，在座的有沒有人知道,？它都是用銅做,，我們可以用不銹鋼做，為什么呢,？因為銅主要是導(dǎo)熱性好,，我們不銹鋼做，怕它導(dǎo)熱性不好,，因為不銹鋼做了以后,，把這個壁做得非常薄，里面都通上水,，所以效果非常好,。這是我們曾經(jīng)做過的。
    我們曾經(jīng)也賣過幾套這樣的噴嘴,，2010年左右的時候,。這是我們曾經(jīng)做過的六孔的，現(xiàn)在它一般在市面上賣的都是三孔或者四孔,，我們也做過六孔的,，六孔是我曾經(jīng)在德國的時候做的工作。現(xiàn)在我們又重新把它根據(jù)現(xiàn)在用的激光，過去激光一般都是兩千瓦,、三千瓦,，現(xiàn)在可能在六千瓦甚至一萬瓦，甚至我們現(xiàn)在往小的上面做,，幾百瓦的,，整個重新設(shè)計噴嘴。左邊是精加工的設(shè)計圖,，右邊是我們設(shè)計的,，現(xiàn)在3D打印的,。這個噴嘴是3D打印做出來的,，所以應(yīng)該也是不錯的效果，這是看起來比較年輕的,，2002年的時候我就做這個噴嘴,，它是6個孔朝上的噴嘴。所以這一塊我們也有比較好的基礎(chǔ),，因此在等離子增減材這一塊,，我們開始做了這方面的研究工作，也做了兩套系統(tǒng),，這是現(xiàn)在把等離子和激光集成在一個系統(tǒng)上面,。
    我們可以看到，尤其等離子這個熔復(fù)投做得非常好,，基本上它的粉末利用率100%,，因為它這個設(shè)計原理的原因，粉末是熔化了以后才噴出來的,，所以基本上沒有多余的粉末出來,。如果是激光，它一般多多少少會有粉末散出來,，就是沒有熔化的粉末,，這個做得非常好。最右邊像換了一把刀,，這去年的時候我們也做了一次鑒定,，也是廣東省的重點研發(fā)計劃，照著國家的重點研發(fā)計劃的模式,，在座的也有幾位專家參加了我們的項目評審,，我也是非常感謝。但是我們講,，我們在這個方面的的確確做了很多的基礎(chǔ)工作,，雖然我是這么多年來一直做這個鋪粉的激光熔化，但是在等離子這一塊,，我們2010年開始,，包括它一些基礎(chǔ)的東西,，我們也在做，一直在積累,。所以在這個方面,，我覺得還是有一點特色，這是我們的兩個機器人的系統(tǒng),，這是包括可以切換,，激光熔復(fù)（音）的噴頭，包括等離子的情況,，這是一個方面,。
    最大的一個特點，它的效率非常高,，我沒有算過激光的,，你看它這個大概高度，我們有3萬毫米,，大概是高度67毫米,，我們這一塊用的50安的電流，如果用到300安相對更好,，對等離子有一些本身的特色,，這是等離子做的，可以看到它的粉末就沒有四濺,，所以周邊也是比較干凈的,，這是做的各種形狀的。
    這是我們用激光做的,，我們做了一些醫(yī)療的,，激光的結(jié)構(gòu)相對等離子要更精細一些，但是它跟精加工（音）相比還是差了一些,。其實銑削的問題,，包括執(zhí)行精度，其實它也沒要求,，都是可以達到的,，只不過我們機器人，現(xiàn)在很多情況,，最大的一個是機器人的穩(wěn)定性,，那個機器手是不是能穩(wěn)定在這里，做一個平面�,，F(xiàn)在我們選擇比較大的機器人,，做的是達到五六十微米這樣的精度，還有十個微米以下，五微米到十微米還是做得比較好,。整個系統(tǒng)要優(yōu)化,。
    最后總結(jié)一下，因為機器人包括送粉送絲,，是我們近幾年來的趨勢,，它是開展的方向。是適合大零部件增減材的制造修復(fù),，它其實在現(xiàn)場還有移動的方面,，應(yīng)該涉及到一種方法。另外等離子跟激光比起來,，它的效率會更高一些,，尤其是做一些東西，等離子會更好,，激光相對來講可以做一些更精細的結(jié)構(gòu),，效率是中等的水平。
    這西邊銑削主要是由機器人加高速電流,，這樣可以算成銑，這方面機器人會給我們提供一個很好的平臺,。但是和數(shù)控平臺,，現(xiàn)在磚瓦級，我們也有一套,，它的精度稍微差了一點點,，但是靈活性性價比很高，它有上千萬,，我覺得它做這個方面,，也一直在做，有好多的生態(tài)系統(tǒng),，我估計受到了干擾（音）,，但是機器人這套系統(tǒng)配套很好，它不像鐘老師說得大,，我們也是大,，但是不漂亮，但是有用,。好,，介紹到這里，謝謝大家,。


提問：楊老師,，報告非常精彩。我們這一塊也一直做的是激光的增材，等離子增材我們也是從2001年開始,，搖號做,，我們也是在大的方向做。從等離子到焊接,，到后面的3D打印,，我們現(xiàn)在有粉和絲，你這個重點做的是送絲還是送粉,？
    楊永強：送粉,。
    提問：這兩個地方，一個是送粉,，一個是送絲,，因為送粉它跟激光來比，它這個質(zhì)量除了效率的影響,，它跟工藝的靈活性方面,，您能不能介紹一下，因為我們也是在做這方面,，我一直在想能不能把等離子跟激光復(fù)合起來,，為什么？因為激光精度高,，但是效率相對來說低,；等離子價格相對來說便宜，但是它的效率很高,。關(guān)于這方面您有一些什么前瞻性的思考,？給我介紹一下。
    楊永強：謝謝董老師,，其實董老師才是這方面的專家,，我們是最近幾年做的工作。等離子前面我們做的的確是效率高,，但是表面質(zhì)量還有它的寬度要比激光要差很多,，它一個是寬度比較寬，我們做到3萬毫米的寬度,，就不能用大的電流,，我們開發(fā)的是微幅。后面機器人做的電流,，那個又不一樣了,。如果說從效率上來講，等離子遠遠大于激光,，這是肯定的,。但是如果我們用大電流的等離子做這個寬度,，其實有點像電積堆碳（音），一下20毫米,、30毫米,、40毫米都堆過去了，效果非常高,，等離子可以做這樣的事情,，越寬、粗,，效率越高,。但是精細的結(jié)構(gòu)這一塊，如果我需要的話,，就可以用原位來保護它進行加工,，這是一個增減材比較優(yōu)勢的地方，也可以是做完了以后的加工,，但是從效率上遠遠大于激光,，但是從結(jié)構(gòu)方面要靠它來彌補，這肯定,。
    過去沒有人用等離子做,，用微束做，跟激光差不多多少,，但是把特色掩蓋了,，因為微束了，電流小,。但是激光還是貴，等離子相對便宜一些,，但是如果從大的角度來講,，這個大超過了激光做的，等離子會更有優(yōu)勢,。時間關(guān)系,，有什么問題下面跟楊老師請教，再一次熱烈的掌聲謝謝,。


激光制造與再制造技術(shù)及應(yīng)用研討會 介紹

會議以激光技術(shù),、增材制造及再制造相關(guān)光電技術(shù)為主題，針對航空航天交通領(lǐng)域高質(zhì)量復(fù)雜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈以及全壽命維護等迫切需求,，開展面向增材制造及再制造的設(shè)計,、材料、工藝及裝備,、檢測以及標準規(guī)范等相關(guān)光電技術(shù)應(yīng)用研討,，提升增材制造及再制造技術(shù)的數(shù) 字化,、智能化、高穩(wěn)定能力,，驅(qū)動中國制造高質(zhì)量發(fā)展,。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機遇,。制造業(yè)是創(chuàng)新驅(qū)動的主戰(zhàn)場,，推動制造業(yè)先進性發(fā)展，是扭轉(zhuǎn)制造業(yè)低質(zhì)低效,、重塑產(chǎn)業(yè)競爭力,，實現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。大力發(fā)展先進制造業(yè),，是加快制造強國建設(shè)步伐,，加速推動經(jīng)濟發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴張向質(zhì)量和效益提升轉(zhuǎn)變的重要途徑，以實際行動貫徹落實黨的十九大精神的具體體現(xiàn),。

主辦單位：
中國光學(xué)工程學(xué)會
北京亦莊國際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國際激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術(shù)國家級重點實驗室
高能束流加工技術(shù)國家級重點實驗室
增材制造航空科技重點實驗室
高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點實驗室

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