華南理工大學(xué)教授楊永強(qiáng)：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(huì)暨高峰論壇在西安高新國際會(huì)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(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)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(bào)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(qiáng)做了《金屬3D打印技術(shù)前沿與挑戰(zhàn)》的專題報(bào)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(diǎn)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(shí)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(xiàng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。當(dāng)然相對于我們現(xiàn)有的機(jī)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(xiàng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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?yàn)槲覜]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(tái)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(jī)、面向牙科應(yīng)用的DiMetal-110機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)的DiMetal-280機(jī)、增減材復(fù)合機(jī)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(huì)有這么多專利呢？因?yàn)楣ぷ鏖_展時(shí)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(xiàng)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(cuò)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(qiáng)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(xì)，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?yàn)槲覀冏鼋饘俪錾�，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(gè)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(bào)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(shí)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(gè)項(xiàng)目，用機(jī)器人等離子做增減材項(xiàng)目，增材用激光或等離子，減材是上面加一個(gè)高速的電主軸進(jìn)行高速銑削。這個(gè)項(xiàng)目我們?nèi)ツ瓿袚?dān)了廣東省的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，搭建了兩臺(tái)機(jī)器人，一臺(tái)機(jī)器人做增材，一臺(tái)機(jī)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(gè)銑削頭，我們也做了幾套這樣的設(shè)備，這一套是我們實(shí)驗(yàn)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(jī)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(gè)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(gè)因素集中在一起。我們這個(gè)噴頭有點(diǎn)像GE公司的噴嘴，我們做了兩款，在這方面做了一些試驗(yàn)，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(jī)上某一個(gè)零件，對尺寸和表面粗糙度要求非常高，因?yàn)檫@個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示致密度非常高的，表面粗糙度達(dá)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(jì)了一個(gè)方案，一個(gè)模塊是一組，同時(shí)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(jī)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(gè)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(huì)稍微降低一下效率，但這個(gè)技術(shù)也是非常有競爭力的。因?yàn)樗�不需要激光也不需要電子束，只需要一個(gè)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(gè)設(shè)備，這個(gè)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(gè)漏斗，同時(shí)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(jì)，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(gè)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(dá)到數(shù)字化的要求，同時(shí)還可以做成梯度材料，在某一個(gè)方面進(jìn)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(diǎn)線，用含氮?dú)怏w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(gè)零件里面，在一個(gè)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(dá)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(bào)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(dá)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(cuò)。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(shí)金屬3D打印遠(yuǎn)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(gè)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(shí)候就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果你對性能和質(zhì)量沒有要求，打一個(gè)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(gè)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(shí)候工藝上面不能實(shí)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(yuǎn)，這方面需要做的工作還有很多的空間。目前3D打印整個(gè)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(bào)告就到這里，謝謝大家！