華南師范大學張慶茂：選區(qū)激光熔化成型技術及其應用

2019年6月28日,，激光制造與再制造技術及應用研討會 在北京興基鉑爾曼酒店召開。現(xiàn)場專業(yè)人士眾多,，南極熊3D打印網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,。

華南師范大學的張慶茂教授，張交州長期從事激光的再制造技術,，這次給我們帶來的題目“選區(qū)激光熔化成型技術及其應用”

張慶茂：各位同仁,，首先感謝光學綜合學會的邀請來跟各位交流。首先我介紹一下背景,，實際上我2004年到華南師范大學,，但是在這之前，1986年就開始做高功率的激光切割的焊接,，我去之后一做修復,，為什么叫修復？之后做焊接,。2012年,，我開始轉向超快激光的應用，我現(xiàn)在又做超快激光器,，又做焊接,，表面修復包括鉆頭的修復，納米修復我也做�,，F(xiàn)在的成果是什么,，玻璃焊接。大家看這個,，玻璃焊接,，我最高可以達到86，但是這個不是我今天講的,，今天講的主要是選區(qū)熔化,。
    分以下幾個方面：大家剛才上午幾位專家都進，頂天立地,，因為我一直是做技術,，從模具的修復、船的修復等來的,，所以我們2007年廣東才開始做第一個項目,，就是激光選區(qū)熔化。當時我們做的熔化到什么地方,，很慘,，今天很高興看到我們同行做到這個程度很好。但是在這個過程中，我們一直在做,，3D打印增材技術,，包括不銹鋼我們也一直在做。在做的過程中,，我們遇到了一些問題,，有瓶頸。
    在這里跟大家分享一些失敗的東西,，供我們同仁今后工作中去參考,。3D打印的重要性，我們可以把我們的思想推動數(shù)字,、物理構件變成實際的面,，這是3D打印最偉大的例子，就不多講,。優(yōu)點很多,，我不講優(yōu)點，我講不足,，因為我們也是在廣東面臨著不僅是研發(fā),，還是一個產業(yè)化的問題。現(xiàn)在我們開發(fā)的設備,，適合制造形狀復雜的工件,。不足之處，技術指標難以達到產品要求,。還有生產成本不具備競爭優(yōu)勢,，我們到目前為止沒有優(yōu)勢，為什么,，因為大家知道,，現(xiàn)在基本上用的設備不是我們自己開發(fā)的，是US的,，它的功能對我們是逐步開放的,，所以一些材料都是用他的。我們現(xiàn)在用我們自己的設備,，有些時候能做到,，有些時候做不到。
    另外生產效果,，如果是生產一些個性化的制造沒有問題,，大型的還是很低，這是一個問題,。另外可以達到的層面是有限的,，這跟我們說是無限的不相關,，它確實有限,。我們能夠真正擁有的材料很少,，但是大家知道我們國家的科技材料有5000多種，現(xiàn)在我們確實有很多的工作要做,，這是不足,。
    現(xiàn)在最大的問題是什么，上午王總包括李教授都說,，實際上就是性能的不穩(wěn)定問題,，還有特殊結構，我們怎么能做出來,，這些東西都是我們面臨的問題,。組織怎么設計、性能怎么設計,、結構怎么設計,，包括應力怎么做，這都是我們面臨的問題,。我們的核心部件全部進口,、材料進口。大家可能說我們確實在用國內的材料,，但是我們在做牙的時候,，我們是用我們自己的材料，做其他的不敢用國內的材料,。為什么,？因為每次做系統(tǒng)測試后，不知道是材料的問題還是設備的問題,，但是沒有辦法,，只能用國外的材料。
    另外,，信息技術高度融合,，這部分我們要做。另外現(xiàn)在設備是這幾家在推進,，EOS,、3D system。
    應用的領域比較少,、門檻高,、標準缺失、競爭激烈,。個性化定制,，很難降低成本。我們難以滿足復雜零件中不同部位對不同性能的要求。還有市場上有一些模式,，多樣化,，利潤空間擠壓，現(xiàn)在設備國內生產裝備的企業(yè)很艱難,。
    激光對材料加工的方式,，現(xiàn)在大家想想，它都是單一的激光,，無論是切割等等,，這是大家都熟悉的，這個增材制造,，我們現(xiàn)在也還是有一些不足,。
    為什么我把這個拿出來，我想跟大家分享一下我們做的情況,。下面做的是梯度原位支撐復合材料（音）,。最上面是我用電化學方法把其他的組合。下面是我們在設計成分過程中,，我是形成鐵炭和供應組織,，保留一部分材料，是提高它的壽命,，這是我當時做什么用的,。大家可以看，這邊是我們典型的前放,，我們當時用熔覆的方式,，替代傳統(tǒng)的鍍鉻和等離子。
    大家看我們做的這些東西,，都是當時為了提高它的性能,，因為大家知道這個檢測方法，你做得好不好,。性能要求非常高,，他希望我們摩擦系數(shù)要小，摩擦系數(shù)不能增大,，要它保持不變或者是降低,。所以通過我們這種成分設計，我們可以實現(xiàn)激光熔覆的方法,，可以保證或者實現(xiàn)摩擦系數(shù)逐漸降低,，這是表面信號。
    實際上大家看,，當年我們國家最早是熱處理,，現(xiàn)在我們還做什么,，我們還利用激光熔覆的方法，但是有脈沖激光,，在這個基礎上開發(fā)一種方法,，用合金化的方式去做。我少量添加,，其他的元素進來了，帶來什么,？性能提高的同時,，出現(xiàn)了裂紋。怎么辦,？我想我們是不是可以設計一種成分,，讓它既能提高耐磨性，又不降低脆性,，也就是強韌性匹配,。所以我們大家都知道，我們鐵炭（音）右邊有一個精度,，實質上我們國家在鑄鐵方面,，我們只是圍繞4.3在做工作，其他沒有,。所以我們想有什么好處,？它的流動性最好，我們在設計過程中,，讓它部分保留起來,，在這個狀態(tài)冷卻過程中，可以吸收一部分引用,，避免這個情況,。在使用過程中，在應力狀態(tài)下可以實現(xiàn),，就能解決一部分,，但是并不能帶動。
    所以在這個基礎上,，大家用熔覆方法可以設計,，慢慢隨著我們對體積的增加，我們開始進入增材制造快速成型,。實際上我們整個思路是這樣的,。
    我個人認為激光增材發(fā)展趨勢是什么，上午有很多的專家介紹,，我想我們應該發(fā)展的是什么,，重點大家應該關注兩個核心,。這就跟王博士說的一樣，你一定要關注新型激光技術,，我這里指的是皮秒,、飛秒。國外飛秒1000瓦到2000瓦已經有了,，已經在做的事情,。另外單一合金或多種合金混合，我們要考慮,，我們做鎢合金的時候,，解決不了裂紋，它就開裂了,。怎么辦,？我們想怎么保留，實際我們最終查文獻,，可以解決,，但是根本問題不能解決，還有一種方法,，去加熱,，這是大家要關注的材料。
    還有性能層次,，高精度,、高性能，評價方法是制約我們應用的,，因為我前段時間一直做的是什么,，做的船用的，這個軸塊不需要輸入,，那也沒有多少錢,，所以沒有人問你有沒有資質，有沒有標準,。當我們遇到第一件事,，它沒有這個資格證，所以我們要有自己的標準,，這是性能層次,。還有是設備層次，要做大,，實際上小的要根據(jù)不同的裝備,，要開展大型的裝備。另外一定要注意增材制造要跟傳統(tǒng)技術融合,，如果不融合,，解決不了技術,。當年我們是用電子加熱，很快在這個表面成型,。另外要做高效率,、高壽命、低成本,、人性化的制造方法層次,。
    要突破哪些技術。第一是材料問題,，為什么是這樣,，因為我們最早在90年代末，我們做修復的時候,，實際上都是按照這個體積做,，沒有按照激光的快速修復去設計,，所以我們一直是在這個情況下是弱項,，所以我們要看這個材料。之后看它的設計原理,，我們要開發(fā)出這樣的材料,。
    另外還有光源。這個數(shù)據(jù)有點老了,，但是這個數(shù)據(jù)是我們做的,。2014年，對廣東省的激光企業(yè)現(xiàn)狀進行了調研,，因為行業(yè)協(xié)會跟專業(yè)公司結合,，對我們的設備實際上有約束。激光焊接設備為啥是這樣,，首先激光鏡頭是有,，鏡頭是進口的，焊接頭是進口,，我就問哪個是你們的,，這是開玩笑。但是我們大幅的東西被別人拿走了,，我們是給國外打工,。所以大家看這個數(shù)據(jù)很可怕，但是我們非常欣喜的是,，隨著瑞科,，隨著創(chuàng)新發(fā)展，我們的高新激光器,，我們在中小功率上占領非常大的部分,，甚至可以說獨霸天下,，這個話有點大。但是我們想沒想過,，我們的激光器大家解剖沒解剖,，它的激光器和我們激光器組裝3D打印是不是一樣的？我不知道在座有沒有思考,，因為我們在做激光器,，在做3D打印，會遇到這些問題,，因為什么,？因為我們是做焊接出身，所以我們對波形和激光產品要求非常高,，所以大家做裝備的可以考慮一下,。
    還有一個是影響因素的問題，要解決什么,，要解決每一層在單層里面的關系,，還有上下之間的關系，還要解決什么問題,，要業(yè)績熱處理的問題,。沒有熱處理性能是不穩(wěn)定的，而且你用熱處理有一個最好的方法,，就是可以實現(xiàn)組織有效性的轉變,。我們在做鈷合金和鉻合金的時候都做了。
    我個人認為3D打印是標志著精密制造,、航空航天,、復雜模具等最核心最體現(xiàn)我們價值的。我剛才說我們一直在做修復或者做焊接,，實際上我們團隊三個方向,，一個是現(xiàn)在的制造我們一直在修復，有一個做焊接,，焊接我們做的是玻璃的焊接,。我們非常有幸，廣東省的重點現(xiàn)狀就是包括廣州市的支持下,，我們聯(lián)合廣州有色研究院,，也就是說現(xiàn)在的協(xié)同創(chuàng)新研究院，上海,、深圳,，還有廣州，我們一起承擔這些項目,，從材料,、工藝,、設備和應用，我們進行多方位的一種探索,。
    大家可能知道,，2003年廣州有一個很大的事，就是我們廣州的激光,，當時在激光制造這一塊是我起草的,，當時他說3D打印這么好，你們?yōu)槭裁床蝗プ�,，所以我們就在指導下,，我們成立了廣州打印產學研技術創(chuàng)新聯(lián)盟，我們是第一個成立創(chuàng)新聯(lián)盟,，廣州當年有很多項目,，我們是第一個拿到的。通過這一點,，我們聯(lián)合這些企業(yè),，包括福斐，我們做的工作給大家介紹一下,。
    第一,，有色金屬研究院開發(fā)合金方面已經有非常好的工作,，他當年從前蘇聯(lián)進口一臺最好的設備,，所以我們一直在做這個。另外我們跟瑞通不只做激光器,，還做產品,。它做創(chuàng)新和服務的建立，這是我們的目標,，這是有色已經完成了,，現(xiàn)在的線路今年已經提交到市里組織驗收。3D打印設備現(xiàn)在已經開始銷售了,，現(xiàn)在是他們在做,。服務與應用，是廣州市的一個研究院在操作這個事情,。同時我們也獲得了廣州市重大課題的支持,，所以我們開發(fā)了這樣一種材料。
    因為它這些材料,，你是協(xié)同創(chuàng)新,，所以它的材料我們是先用的，我們怎么用呢,？因為大族的設計和瑞通的設計用它的材料去做了性能整治,，這也是協(xié)同創(chuàng)新,。當時我們說什么叫協(xié)同創(chuàng)新？你做的材料不用賣給別人,，所以用我們的設備去打印,，已經形成產值，因為原來有色院這部分成立材料加工所,，現(xiàn)在有幾千萬的銷售,。
    另外基于3D打印的裝備也做了，這里面我們確實做了一些創(chuàng)新的工作,，比如激光器,，我們僅支持自己做。當然我們做的還是有很多問題,，但是不管怎么說,，我們按照我們的思路去設計一些參數(shù)，希望能夠解決什么問題,，我們提出了一些問題,，實際我們對整個情況有一些理解。還有我們要解決每次打印的一致性,，不僅是結構的一致性,，性能也要有一致性。還有裝備,，我們使得現(xiàn)在的應力和熱應力的控制,，要考慮怎么樣控制。同時還要看它做的一些工作,。
    還有3D打印服務,，這是虛的，但是我們這里面也培訓了很多人,，因為廣東的市場很大,。我們中小學搞了一千人，紅紅火火,，現(xiàn)在走入課堂很厲害,，所以我給大家提供一些情況，將來都是你的用戶,。有色院做的什么事情,，這是廣東省做的項目，這是做的一個打印鎢合金,，做得非常好,，因為原來也有軍工背景。
    這部分是我們做的，不同程度的組織和走向不一樣,。我在想這個問題,，我們每到了搭接，我們這個也是搭接,，每次搭接的時候,，我們有一個作用，不僅也相變,。層與層之間也存在這個問題,，造成每一層的組織非常復雜，我們怎么樣去按照我們的熱去設計成分,，實現(xiàn)我們的控制,。大家知道有很多的方面，我們怎么樣把它至今的距離讓它更密,。還有我們結構,，現(xiàn)在有超快激光，是不是在它第二次來之前做呢,？我們是不是在最終做完之后一些件,，我們是不是要改變它的應力，這些能不能提高我們的疲勞性能,。所以這些東西我們都在思考,，因為我們在做什么，我們實際上在做一些微電子,，任何我們去修,，我們就想那么小的東西能做，這么大的能做嗎,？是可以的,。而且大家如果去查閱文獻,，實際上國外有報道,，對焊接過程去看它的性能，大家思考,，因為我想這個問題會引起大家的注意,，包括結構的問題。
    還有一點,，不同金屬打印,，包括楊老師也說了，這是鎢和銅,。模具應用,，全國除了浙江省個，廣東省模具應用是最大的，廣東省占了40%,，江浙一代占了60%,。當年2006、2007年,，我們看這個情況,，后期有光纖的。大家可以看到,，這是我們做的,，王總設計師和李老師說我們沒有出口，只能做這個,。還有一點他要求最低,，為什么最低？大家想它的性能是什么,？枝椏基本結構就夠了,，有裂位也不怕，另外它外面還搞一層,，沒有問題,，所以我們要研究它做。現(xiàn)在這個賣得最好,，這個牙齒很便宜,。
    另外還有植入體，中午吃飯的時候我也跟大家交流,，我們在廣東做了很多,。第一，2007年用最簡單的方法,，手骨折怎么辦,，要接上，要打孔,，打孔非常難,，它滑。怎么辦,？我們做了一個模具插到這,，之后做的。因為它也不涉及到別的情況,，所以在廣東植入體,，比如骨盆等都在用。所以我們這一部分沒辦法,，你要不換就沒有生活質量,。所以我們在解決這些生活中，還是做了一些事情的。
    打印裝備解決這么多,。我們講一些增材制造的現(xiàn)狀,，我們在保持珠寶行業(yè)，有一家企業(yè)做得非常好,，用3D打印的鈦合金的東西非常漂亮,，在一次展覽上，一位模特穿了以后,，驚艷全場,。
    去年在多方努力下，在廣東激光制造和增材制造,，也是有一個研發(fā)項目,。到目前為止，支持了13項,。為什么,？原來有一項我們參加答辯，有兩項是支持我們開放課題,，大家看它是開放課題,，吸引500多家高等院校、企業(yè)和研究所來,，所以廣東有很多新的東西�,，F(xiàn)在據(jù)說馬上上報省政府，上報省政府,，我估計就會邀請我們,，今年的力度不會小于去年，這是我給大家介紹的一個方面,。我也非常歡迎各位同仁到廣東去,，離市場最近的地方來共同發(fā)展。也希望各位老師,、各位同仁有機會到廣東看看我們實際做的東西,，可能做的比我講得還好，因為我的語言組織能力還是不太好,，希望能給大家講明白了,。謝謝大家。

激光制造與再制造技術及應用研討會 介紹

會議以激光技術,、增材制造及再制造相關光電技術為主題，針對航空航天交通領域高質量復雜產品的全產業(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計,、材料、工藝及裝備、檢測以及標準規(guī)范等相關光電技術應用研討,，提升增材制造及再制造技術的數(shù) 字化,、智能化、高穩(wěn)定能力,，驅動中國制造高質量發(fā)展,。

新一輪科技革命和產業(yè)變革與我國加快轉變經濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機遇,。制造業(yè)是創(chuàng)新驅動的主戰(zhàn)場,，推動制造業(yè)先進性發(fā)展，是扭轉制造業(yè)低質低效,、重塑產業(yè)競爭力,，實現(xiàn)新舊動能轉換的關鍵所在。大力發(fā)展先進制造業(yè),，是加快制造強國建設步伐,，加速推動經濟發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴張向質量和效益提升轉變的重要途徑，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：
中國光學工程學會
北京亦莊國際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國際激光技術產業(yè)及應用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術國家級重點實驗室
高能束流加工技術國家級重點實驗室
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
會議網址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html