華南師范大學(xué)張慶茂：選區(qū)激光熔化成型技術(shù)及其應(yīng)用

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,。

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

張慶茂：各位同仁,，首先感謝光學(xué)綜合學(xué)會的邀請來跟各位交流,。首先我介紹一下背景，實(shí)際上我2004年到華南師范大學(xué),，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(fù),，為什么叫修復(fù),？之后做焊接,。2012年，我開始轉(zhuǎn)向超快激光的應(yīng)用,，我現(xiàn)在又做超快激光器,，又做焊接，表面修復(fù)包括鉆頭的修復(fù),，納米修復(fù)我也做�,，F(xiàn)在的成果是什么，玻璃焊接,。大家看這個(gè),，玻璃焊接，我最高可以達(dá)到86,，但是這個(gè)不是我今天講的,，今天講的主要是選區(qū)熔化。
    分以下幾個(gè)方面：大家剛才上午幾位專家都進(jìn),，頂天立地,，因?yàn)槲乙恢笔亲黾夹g(shù)，從模具的修復(fù),、船的修復(fù)等來的,，所以我們2007年廣東才開始做第一個(gè)項(xiàng)目，就是激光選區(qū)熔化,。當(dāng)時(shí)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(gè)程度很好,。但是在這個(gè)過程中,，我們一直在做，3D打印增材技術(shù),，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(gòu)件變成實(shí)際的面,，這是3D打印最偉大的例子，就不多講,。優(yōu)點(diǎn)很多,，我不講優(yōu)點(diǎn),，我講不足，因?yàn)槲覀円彩窃趶V東面臨著不僅是研發(fā),，還是一個(gè)產(chǎn)業(yè)化的問題�,，F(xiàn)在我們開發(fā)的設(shè)備，適合制造形狀復(fù)雜的工件,。不足之處,，技術(shù)指標(biāo)難以達(dá)到產(chǎn)品要求。還有生產(chǎn)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?yàn)榇蠹抑���,，現(xiàn)在基本上用的設(shè)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(shè)備，有些時(shí)候能做到,，有些時(shí)候做不到,。
    另外生產(chǎn)效果，如果是生產(chǎn)一些個(gè)性化的制造沒有問題,，大型的還是很低,，這是一個(gè)問題。另外可以達(dá)到的層面是有限的,，這跟我們說是無限的不相關(guān),，它確實(shí)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(shí)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(shí)際上就是性能的不穩(wěn)定問題,，還有特殊結(jié)構(gòu),，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(shè)計(jì),、性能怎么設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)怎么設(shè)計(jì)，包括應(yīng)力怎么做,，這都是我們面臨的問題,。我們的核心部件全部進(jìn)口、材料進(jìn)口,。大家可能說我們確實(shí)在用國內(nèi)的材料,，但是我們在做牙的時(shí)候，我們是用我們自己的材料,，做其他的不敢用國內(nèi)的材料,。為什么？因?yàn)槊看巫鱿到y(tǒng)測試后,，不知道是材料的問題還是設(shè)備的問題,，但是沒有辦法，只能用國外的材料,。
    另外,，信息技術(shù)高度融合，這部分我們要做,。另外現(xiàn)在設(shè)備是這幾家在推進(jìn),，EOS、3D system,。
    應(yīng)用的領(lǐng)域比較少,、門檻高、標(biāo)準(zhǔn)缺失,、競爭激烈,。個(gè)性化定制，很難降低成本,。我們難以滿足復(fù)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(shè)備國內(nèi)生產(chǎn)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(gè)增材制造,，我們現(xiàn)在也還是有一些不足,。
    為什么我把這個(gè)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(fù)合材料（音）,。最上面是我用電化學(xué)方法把其他的組合,。下面是我們在設(shè)計(jì)成分過程中，我是形成鐵炭和供應(yīng)組織,，保留一部分材料,，是提高它的壽命，這是我當(dāng)時(shí)做什么用的,。大家可以看,，這邊是我們典型的前放，我們當(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)為了提高它的性能,，因?yàn)榇蠹抑�道這個(gè)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(shè)計(jì),，我們可以實(shí)現(xiàn)激光熔覆的方法，可以保證或者實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)逐漸降低,，這是表面信號,。
    實(shí)際上大家看，當(dāng)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(gè)基礎(chǔ)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(jìn)來了,，帶來什么？性能提高的同時(shí),，出現(xiàn)了裂紋,。怎么辦？我想我們是不是可以設(shè)計(jì)一種成分,，讓它既能提高耐磨性,，又不降低脆性,，也就是強(qiáng)韌性匹配。所以我們大家都知道,，我們鐵炭（音）右邊有一個(gè)精度,，實(shí)質(zhì)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(shè)計(jì)過程中,，讓它部分保留起來，在這個(gè)狀態(tài)冷卻過程中,，可以吸收一部分引用,，避免這個(gè)情況。在使用過程中,，在應(yīng)力狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn),，就能解決一部分，但是并不能帶動,。
    所以在這個(gè)基礎(chǔ)上,，大家用熔覆方法可以設(shè)計(jì)，慢慢隨著我們對體積的增加,，我們開始進(jìn)入增材制造快速成型,。實(shí)際上我們整個(gè)思路是這樣的。
    我個(gè)人認(rèn)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(yīng)該發(fā)展的是什么，重點(diǎn)大家應(yīng)該關(guān)注兩個(gè)核心,。這就跟王博士說的一樣,，你一定要關(guān)注新型激光技術(shù)，我這里指的是皮秒,、飛秒,。國外飛秒1000瓦到2000瓦已經(jīng)有了，已經(jīng)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(shí)候,，解決不了裂紋,，它就開裂了。怎么辦,？我們想怎么保留,，實(shí)際我們最終查文獻(xiàn),，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(guān)注的材料,。
    還有性能層次，高精度,、高性能,，評價(jià)方法是制約我們應(yīng)用的，因?yàn)槲仪岸螘r(shí)間一直做的是什么,，做的船用的,，這個(gè)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(zhì),，有沒有標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)我們遇到第一件事,，它沒有這個(gè)資格證,，所以我們要有自己的標(biāo)準(zhǔn)，這是性能層次,。還有是設(shè)備層次,，要做大，實(shí)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(shù)融合，如果不融合,，解決不了技術(shù),。當(dāng)年我們是用電子加熱，很快在這個(gè)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(shù)。第一是材料問題,，為什么是這樣,，因?yàn)槲覀冏钤缭?0年代末，我們做修復(fù)的時(shí)候,，實(shí)際上都是按照這個(gè)體積做,，沒有按照激光的快速修復(fù)去設(shè)計(jì),，所以我們一直是在這個(gè)情況下是弱項(xiàng)，所以我們要看這個(gè)材料,。之后看它的設(shè)計(jì)原理,，我們要開發(fā)出這樣的材料。
    另外還有光源,。這個(gè)數(shù)據(jù)有點(diǎn)老了,，但是這個(gè)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(jìn)行了調(diào)研,，因?yàn)樾袠I(yè)協(xié)會跟專業(yè)公司結(jié)合，對我們的設(shè)備實(shí)際上有約束,。激光焊接設(shè)備為啥是這樣,，首先激光鏡頭是有，鏡頭是進(jìn)口的,，焊接頭是進(jìn)口,，我就問哪個(gè)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(gè)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(lǐng)非常大的部分，甚至可以說獨(dú)霸天下,，這個(gè)話有點(diǎn)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?yàn)槲覀冊谧黾す馄�,，在�?D打印,，會遇到這些問題，因?yàn)槭裁�,？因�(yàn)槲覀兪亲龊附映錾�,，所以我們對波形和激光產(chǎn)品要求非常高，所以大家做裝備的可以考慮一下,。
    還有一個(gè)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(guān)系，還有上下之間的關(guān)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(gè)最好的方法,，就是可以實(shí)現(xiàn)組織有效性的轉(zhuǎn)變。我們在做鈷合金和鉻合金的時(shí)候都做了,。
    我個(gè)人認(rèn)為3D打印是標(biāo)志著精密制造、航空航天,、復(fù)雜模具等最核心最體現(xiàn)我們價(jià)值的,。我剛才說我們一直在做修復(fù)或者做焊接，實(shí)際上我們團(tuán)隊(duì)三個(gè)方向,，一個(gè)是現(xiàn)在的制造我們一直在修復(fù),，有一個(gè)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(diǎn)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(dān)這些項(xiàng)目，從材料,、工藝,、設(shè)備和應(yīng)用，我們進(jìn)行多方位的一種探索,。
    大家可能知道,，2003年廣州有一個(gè)很大的事，就是我們廣州的激光,，當(dāng)時(shí)在激光制造這一塊是我起草的,，當(dāng)時(shí)他說3D打印這么好，你們?yōu)槭裁床蝗プ�,，所以我們就在指�?dǎo)下,，我們成立了廣州打印產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，我們是第一個(gè)成立創(chuàng)新聯(lián)盟,，廣州當(dāng)年有很多項(xiàng)目,，我們是第一個(gè)拿到的,。通過這一點(diǎn)，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(jīng)有非常好的工作,，他當(dāng)年從前蘇聯(lián)進(jìn)口一臺最好的設(shè)備，所以我們一直在做這個(gè),。另外我們跟瑞通不只做激光器,，還做產(chǎn)品。它做創(chuàng)新和服務(wù)的建立,，這是我們的目標(biāo),，這是有色已經(jīng)完成了，現(xiàn)在的線路今年已經(jīng)提交到市里組織驗(yàn)收,。3D打印設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)開始銷售了,，現(xiàn)在是他們在做。服務(wù)與應(yīng)用,，是廣州市的一個(gè)研究院在操作這個(gè)事情,。同時(shí)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?yàn)樗�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?yàn)榇笞宓脑O(shè)計(jì)和瑞通的設(shè)計(jì)用它的材料去做了性能整治，這也是協(xié)同創(chuàng)新,。當(dāng)時(shí)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(shè)備去打印,，已經(jīng)形成產(chǎn)值,，因?yàn)樵瓉碛猩�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(shí)做了一些創(chuàng)新的工作,，比如激光器,，我們僅支持自己做,。當(dāng)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(shè)計(jì)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(shí)際我們對整個(gè)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(jié)構(gòu)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(yīng)力和熱應(yīng)力的控制，要考慮怎么樣控制,。同時(shí)還要看它做的一些工作,。
    還有3D打印服務(wù)，這是虛的,，但是我們這里面也培訓(xùn)了很多人,，因?yàn)閺V東的市場很大。我們中小學(xué)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(xiàng)目,，這是做的一個(gè)打印鎢合金，做得非常好,，因?yàn)樵瓉硪灿熊姽け尘啊?br />     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(gè)問題,，我們每到了搭接,，我們這個(gè)也是搭接，每次搭接的時(shí)候,，我們有一個(gè)作用,，不僅也相變。層與層之間也存在這個(gè)問題,，造成每一層的組織非常復(fù)雜,，我們怎么樣去按照我們的熱去設(shè)計(jì)成分，實(shí)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(jié)構(gòu),，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(yīng)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?yàn)槲覀冊谧鍪裁�,，我們�?shí)際上在做一些微電子,，任何我們?nèi)バ蓿�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(xiàn),，實(shí)際上國外有報(bào)道,，對焊接過程去看它的性能，大家思考,，因?yàn)槲蚁脒@個(gè)問題會引起大家的注意,，包括結(jié)構(gòu)的問題。
    還有一點(diǎn),，不同金屬打印,，包括楊老師也說了，這是鎢和銅,。模具應(yīng)用,，全國除了浙江省個(gè)，廣東省模具應(yīng)用是最大的,，廣東省占了40%,，江浙一代占了60%。當(dāng)年2006,、2007年,，我們看這個(gè)情況，后期有光纖的,。大家可以看到,，這是我們做的，王總設(shè)計(jì)師和李老師說我們沒有出口,，只能做這個(gè),。還有一點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(gè)賣得最好,，這個(gè)牙齒很便宜,。
    另外還有植入體，中午吃飯的時(shí)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(gè)模具插到這,，之后做的。因?yàn)樗�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(zhì)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(gè)研發(fā)項(xiàng)目,。到目前為止,，支持了13項(xiàng)。為什么？原來有一項(xiàng)我們參加答辯,，有兩項(xiàng)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。現(xiàn)在據(jù)說馬上上報(bào)省政府,，上報(bào)省政府,，我估計(jì)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(gè)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(jī)會到廣東看看我們實(shí)際做的東西，可能做的比我講得還好,，因?yàn)槲业恼Z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(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(hù)等迫切需求,，開展面向增材制造及再制造的設(shè)計(jì),、材料、工藝及裝備,、檢測以及標(biāo)準(zhǔn)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(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯,，為我國實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在,。大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè),，是加快制造強(qiáng)國建設(shè)步伐,，加速推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴(kuò)張向質(zhì)量和效益提升轉(zhuǎn)變的重要途徑，以實(shí)際行動貫徹落實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
高能束流加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
增材制造航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
會議網(wǎng)址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html