西安交通大學(xué)王豫躍教授：《超高速激光熔覆技術(shù)的最新挑戰(zhàn)及在3D打印中的應(yīng)用》

2020年8月20日-21日，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播。

△西安交大王豫躍教授（代李長久教授）

在“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王豫躍教授發(fā)表主題演講《超高速激光熔覆技術(shù)的最新挑戰(zhàn)及在3D打印中的應(yīng)用》，以下是本場演講的現(xiàn)場速記，經(jīng)大會組委會授權(quán)發(fā)布，希望對國內(nèi)關(guān)注超高速激光熔覆技術(shù)的讀者有所啟發(fā)。

△視頻：王豫躍《超高速激光熔覆技術(shù)的最新挑戰(zhàn)及在3D打印中的應(yīng)用》

王豫躍：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位來賓大家上午好，我是西安交大的王豫躍，我們選用新的匯報題目，《超高速激光熔覆技術(shù)的最新挑戰(zhàn)及在3D打印中的應(yīng)用》。我將從以下三個方面進行匯報。

首先什么是超高速激光熔覆？

普通的激光3D打印對于金屬來說都是用一些激光熔覆的原理，它的主要缺點就是效率比較低。因此在2017年，德國弗朗霍夫激光技術(shù)研究所提出了一種新的激光熔覆技術(shù)叫超高速激光溶覆。這個速度比傳統(tǒng)速度高很多，而且單層制備厚度可以做到幾十個微米，所以效率會得到比較大的提高。

為什么傳統(tǒng)和高速的激光熔覆有這么大的差別？先直觀看一下視頻。左邊就是普通的激光熔覆，3D打印大概是幾毫米到幾十毫米每秒，但是激光可以到上百毫米每秒，效率大幅度提高。主要能量在激光的能量分布，傳統(tǒng)的用于3D打印的80%用于加熱基材，20%用于加熱粉末，但是超高速激光大部分用于加熱粉末，所以粉末到基材之前已經(jīng)到了熔化狀態(tài)，這也是為什么能夠像熱噴頭那樣高效高速。

這個超高速激光熔覆技術(shù)依賴于硬件的應(yīng)用和開發(fā)。

超高速激光熔覆技術(shù)和傳統(tǒng)的激光熔覆只有在激光頭和送粉頭這一塊是不一樣的，其他都能夠和普通的激光熔覆互換。這是2017提出的德國弗朗霍夫進口設(shè)備，售價在五六百萬人民幣。這是天津亞珅和德國公司一塊建的，在0.6-1.6平方米每小時，當然厚度是比較高的，20-350微米，所以有效體積大概是每小時210立方厘米。剛才清華大學(xué)的教授講鋪粉式的激光熔覆3D效率一般是小于幾十個立方厘米每小時的，所以這個效率最小是傳統(tǒng)激光3D打印的幾倍以上。

這是西安交大自己開發(fā)的超高速激光熔覆設(shè)備，用于回轉(zhuǎn)體，已經(jīng)到了第三代，這是主要的技術(shù)參數(shù)，效率也可以到達兩個立方米。這是用于平面或者曲面，當然可以做一些復(fù)雜曲面。這就是在蕪湖繁昌3D打印園的超高速熔覆設(shè)備。

西安交大開發(fā)的設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)到了第五代，前面兩代是圓光斑的，光斑大小是影響效率的重要因素，所以第五代選用寬光斑，效率可以進一步得到提高。和進口設(shè)備相比，我們的價格有優(yōu)勢，維護成本也比較低，前面講到激光和送粉和產(chǎn)品的熔覆不一樣，其他都是一樣的，所以通過激光和送粉頭的升級換代可以實現(xiàn)整體產(chǎn)品的升級換代，所以效率可以進一步提高，現(xiàn)在3D打印一個重要問題就是效率比較低、加工成本比較高。另外也可以依托交大的優(yōu)勢做一些開發(fā)，這是我們升級的超高速激光熔覆的專利。依托交大的技術(shù)優(yōu)勢，我們通過仿真方式模擬關(guān)鍵送粉頭和激光的數(shù)字模擬，通過數(shù)字模擬結(jié)果進行相應(yīng)的零部件。通過數(shù)字模擬可以看到粉末的直徑從0.5毫米到30毫米，根據(jù)供應(yīng)鏈需要的打印尺寸可以設(shè)置相應(yīng)的粉末直徑。通過數(shù)字模擬可以根據(jù)需要的尺寸設(shè)計粉末直徑，這是我們開發(fā)的各種類型的送粉頭，適應(yīng)于各種各樣的應(yīng)用場景。

送粉主要是三種方式：一個是旁軸（音），同軸，還就一個是管式。管式的優(yōu)點是可以全方位在需要3D打印的時候，但是尺寸相對比較大一些，而中間環(huán)形的可以做到小于8.6毫米。還有國際上首次實現(xiàn)同軸，效率可以進一步提高。

超高速激光熔覆出來以后對于涂層材料有新的要求，目前主要是進口的赫格納斯的粉末用得比較多，國產(chǎn)在性能來說還是遠遠不夠的。比如用超高速熔覆做的431粉末，國產(chǎn)只能做到5級，進口可以做到7級中性鹽霧腐蝕。

下來介紹在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用。

激光3D打印特別是金屬的增材方式大概是兩種，一種是鋪粉，一種是送粉，這兩種方式各有各的優(yōu)缺點，比如鋪粉式的優(yōu)點就是用的粉末比較細一點，所以精度和表面質(zhì)量會高一些，但是固定艙室體積首先，一般是小于500個立方厘米。送粉式的3D打印這個尺寸就不受限制，當然我說的是普通激光熔覆的3D打印，用的粉末比較粗，因此表面的精度稍微差一些。這個是雷斯特公司做的用送粉式的3D打印，打印效率可以看到打完這么大3.5公斤的用了110個小時，每個小時是70個立方厘米，相對于鋪粉式頂多是20個立方厘米每小時，已經(jīng)提高好幾倍。

這是我們在做的973的國家重點研發(fā)項目，這是斷裂疲勞強度的試樣，試樣強度是72×14×14，這樣需要16個小時，因為功率比較低只用到200瓦，所以每個小時只有0.9個立方厘米，和剛才的70個立方厘米相比差了好幾倍。

如果是超高速的激光熔覆和普通的激光熔覆3D打印相比，當然從粉末尺寸來說它和鋪粉式的超高速是一樣的用到15-53微米，掃描速度普通的3D打印是5-10個毫米每秒，但是超高速激光3D打印可以到幾百個毫米每秒，這樣打印成本就會下降。

基于送粉式的高速激光熔覆，它在3D打印中的應(yīng)用和發(fā)展方向需要通過閉環(huán)控制，通過控溫、控形才能控制溫度，控溫特別是熔池溫度，基體溫度也非常重要，另外是控形主要是控制成形精度和表面粗糙度，這樣才能高效、低成本的打印出來近盡成形的打印體。

現(xiàn)在也有人做這方面的工作，通過在3D打印過程中加入溫度控制的監(jiān)控，通過測量和閉環(huán)反饋控制成形過程，控制和不控制可以看到右邊打印體成形結(jié)果會有很大差別。

超高速激光熔覆除了在3D打印行業(yè)的應(yīng)用以外，它在其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也非常有前景。

主要應(yīng)用領(lǐng)域第一個就是礦山機械、液壓支架和不銹鋼立柱等等，現(xiàn)在需要替代電路可以用超高速激光熔覆，這是我們做液壓支架的修復(fù)。第二種就是冶金、鋼鐵行業(yè)，比如替代超音速火焰噴涂連鑄結(jié)晶管。第三種就是水輪機、汽輪機葉片、抗腐蝕、耐磨。第四個是石油、化工需要防腐比如扶正塊等等。第五個像電廠鍋爐、垃圾焚燒爐的發(fā)熱管需要高溫耐腐蝕抗氧化，應(yīng)用超高速激光熔覆效果也非常好。還有在導(dǎo)電耐磨涂層以及鈦、鈦合金耐磨防腐，還有氧化物陶瓷的構(gòu)筑層。

結(jié)論就不說了，后面主要介紹西安交通大學(xué)李長久這個團隊和蕪湖繁昌舍達激光公司有一個創(chuàng)業(yè)團隊，這個創(chuàng)業(yè)團隊在2019年6月成立。舍達激光科技有限公司的使命就是為客戶成功創(chuàng)造價值，為綠色地球貢獻智慧。主要的行業(yè)領(lǐng)域冶金、能源、有色、造紙、航空、電子。應(yīng)用技術(shù)主要是激光熔覆，典型產(chǎn)品比如垃圾焚燒熱管，還有拉閘軸套、冷軋用的沉沒輥，還也導(dǎo)電輥。

謝謝各位領(lǐng)導(dǎo)和專家。

西安交通大學(xué)的3d打印科研實力就是強啊