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�，F(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。現(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�，F(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要小，摩擦系數不能增大，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。這個數據有點老了，但是這個數據是我們做的。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。所以大家看這個數據很可怕，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，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�，F(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 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