華南理工大學(xué)教授楊永強：金屬3D打印技術(shù)前沿與挑戰(zhàn)

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�,。┛萍紕�(chuàng)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�,。╊I(lǐng)域成果及人才,，促進行業(yè)各環(huán)節(jié),、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體,，在西安現(xiàn)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(xué)教授楊永強做了《金屬3D打印技術(shù)前沿與挑戰(zhàn)》的專題報告,。

下面是現(xiàn)場速記：

我給大家介紹一下金屬3D打印技術(shù)前沿,，這兩天的主題大都關(guān)于增材制造，增材制造有很多種技術(shù),，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(tǒng)的弧焊焊接方法引入到3D打印中,。在去年，粉末粘接技術(shù)得到了國內(nèi)外的重視,，所以說目前金屬3D打印技術(shù)是以激光電子束弧焊為主,，附雜一些其他技術(shù)。

其中最主要的技術(shù)是激光選區(qū)熔化,，是把電子束和激光選區(qū)熔化結(jié)合在一起,。作為目前最有競爭力或發(fā)展最好的一種金屬3D打印技術(shù)，激光選區(qū)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(zhì)量,、內(nèi)在質(zhì)量，也是目前非常具有競爭力的工業(yè)技術(shù),。但是它缺點在于尺寸約束,，雖然激光選區(qū)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(yè)上面去應(yīng)用的時候,，表面質(zhì)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(shù)發(fā)展的瓶頸問題,。當(dāng)然相對于我們現(xiàn)有的機械加工方式，激光選區(qū)熔化技術(shù)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(shù)未來得發(fā)展前景非常廣闊,。

國外EOS公司是金屬3D打印技術(shù)最具代表性的公司，目前他們在市場上有兩個標(biāo)準(zhǔn)機型設(shè)備占據(jù)市場主導(dǎo)地位,，其次,，SLM Solutions公司是專注于激光選區(qū)熔化的公司,，他們的技術(shù)也比較好，而Concept Laser除了在醫(yī)學(xué)應(yīng)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(yīng)用方面,，Renishaw公司目前也有幾款跟主流公司差不多的設(shè)備，在國外大概就這幾家公司是比較好的金屬3D打印技術(shù)公司,，國內(nèi)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(xué)最早在2004年做出第一臺激光選區(qū)熔化設(shè)備,，后來又陸續(xù)開發(fā)了DiMetal-240,、DiMetal-280、DiMetal-400等不同功能的設(shè)備,，我們做了很多的工作,，也做了產(chǎn)業(yè)化，從2013年開始,，包括桌面機,、面向牙科應(yīng)用的DiMetal-110機、標(biāo)準(zhǔn)的DiMetal-280機,、增減材復(fù)合機以及大型工件方面承擔(dān)了大量的工作,，我們在這方面的專利比較多，授權(quán)發(fā)明專利將近50件,。其中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，我們做了很多研究，華南理工大學(xué)在醫(yī)學(xué)植入體方面被第三方檢索專利數(shù)量排在第一位,。很多人認(rèn)為很奇怪,，華南理工大學(xué)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(yīng)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(nèi)做激光選區(qū)熔化的人還是比較少的,，而我們在這上面就已經(jīng)做了很多年相關(guān)工作。在醫(yī)學(xué)植入體方面,，包括口腔外科以及關(guān)節(jié)我們做過大量的項目課題,，現(xiàn)在我們牙科以及膝關(guān)節(jié)方面相關(guān)研究正在北京取證，這是國家政策和醫(yī)療許可方面特殊的限制,，很多這方面的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(shè)備,，我特別強調(diào)一下小的設(shè)備精度是目前做的最好的,，我們曾經(jīng)做到大概25微米的精度，國內(nèi)外設(shè)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(dāng)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(shè)備，我就不講了,。因為我們做金屬出身,，現(xiàn)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(yīng)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(shù)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(yè)中是很重要的部分。

首先在大尺寸復(fù)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(nèi)一些單位也在做弧焊方式成形,，甚至用更大的一些設(shè)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(yīng)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(fā)展前沿。當(dāng)然時間周期也比較長,，需要解決材料,、變形以及設(shè)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(xiàn)在國內(nèi)做的人比較少,，我們也不往這方面主要發(fā)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?nèi)ツ瓿袚?dān)了廣東省的重點研發(fā)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(fù)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(shè)備,，這一套是我們實驗室的增減材系統(tǒng),。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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)一家非常大的公司做了這方面的測試，第三方檢測實驗結(jié)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(shè)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(shù)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�,，F(xiàn)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(guān)工作,，做一些小的精密零件,，批量生產(chǎn)。

在高效率方面,，目前我們的技術(shù)是粉末粘接,，現(xiàn)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(shù)的效率非常高,，據(jù)說比我們現(xiàn)在的要快100倍，后面加上燒結(jié)以后可能會稍微降低一下效率,，但這個技術(shù)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(fā)這個設(shè)備，這個成本更低,，效率更高,，這也是一種新的技術(shù)。

在多材料方面,，華南理工大學(xué)這些年做過一些工作,，專門開發(fā)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(fù)合材料,。具體的這種方式怎么鋪粉怎么設(shè)計，都有一些專利,，大家可以看一下,。關(guān)于多種材料，如果能做成數(shù)字化的,，把這幾種材料用數(shù)字化的方式調(diào)整材料的成分,，上面有四個漏斗，可以調(diào)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(shù)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�,，F(xiàn)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(guān)于多材料我們也做過一些測試,，界面系數(shù)不銹鋼的可以達到77%多,，組織微觀結(jié)構(gòu)、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(xué)者可以在這方面做非常多的工作，大家可以關(guān)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(nèi)目前最主要的設(shè)備問題是在線監(jiān)測,、在線反饋修復(fù)和閉環(huán)控制等問題,，我們做這些設(shè)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(shè)備，這也是我的設(shè)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(fā)現(xiàn),，如果你對性能和質(zhì)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(xiàn)在力學(xué)性能,、表面性能以及內(nèi)在疲勞性能的要求，這個材料的關(guān)系就非常大了,，需要我們做很多的工作,。還有一些常規(guī)用到的材料，比較關(guān)鍵的一些材料,，目前3D打印做的時候工藝上面不能實現(xiàn)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(yè)應(yīng)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(chǎn)業(yè)，更多的是賣設(shè)備,，更多的應(yīng)用還沒有開展起來,，未來這方面隨著3D打印技術(shù)的普及，在更多的工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用,，尤其像模具,、醫(yī)療方面，技術(shù)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(yè)者,，后面的市場還是非常多,，面臨的挑戰(zhàn)也是非常多的。

我的報告就到這里,，謝謝大家,！