【3D打印高端演講】楊永強(qiáng)：精密金屬激光選區(qū)熔化直接制造技術(shù)及應(yīng)用

【導(dǎo)讀】 6月下旬，世界3d打印大會在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場進(jìn)行了大量的報道，詳情請看南極熊報道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南極熊作為一個3d打印的專業(yè)媒體平臺，一直致力于推動中國3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內(nèi)容對大家有所啟發(fā)。

楊永強(qiáng)：各位專家、各位同仁，上午好。我給大家介紹的是精密金屬激光選區(qū)熔化直接制造技術(shù)及應(yīng)用（金屬3D打�。�。

剛才鞏老師已經(jīng)介紹了，我想介紹的也是集中在金屬的激光選區(qū)熔化方面的一些工作。關(guān)于3D打印的概念，增材制造這個我不多說了，今天的這個主題就是3D打印。

作為金屬的3D打印，它應(yīng)該說是在所有的3D打印技術(shù)里面工業(yè)級的，或者說直接應(yīng)用方面是一個未來發(fā)展的方向。通過關(guān)于這個3D打印市場的調(diào)研，可以看出來2012、2013年在工業(yè)、航空航天、醫(yī)學(xué)的市場份額是不斷增加的，這就說明它不只是做一個中間的模型，這是一個發(fā)展的趨勢，而且發(fā)展速度是非�？斓模�這是它的一些情況。

接下來講一下金屬的3D打印工藝與裝備。實(shí)際上我們說金屬的3D打印是我們眾多的3D打印技術(shù)里面的一種，而且相對于其他的技術(shù)來講，它本身特點(diǎn)還是比較突出的，尤其我講的激光選區(qū)熔化的技術(shù)，它本身的原理也是通過粉末，然后激光就會選擇性地一區(qū)一區(qū)地掃描，一層層堆積起來的這么一個過程。

剛才鞏老師提到的做金屬零件無非那么幾種方法，過去除了剛才提到的激光的熔覆的方式做沉積，還有一種是電子束，還有是激光燒結(jié)，除了在一些陶瓷材料上以外，其他的金屬材料都不用了，都是把金屬粉末熔化，下面我們主要從金屬的熔化方面介紹一下。這個錄像也是展示把激光鋪好的粉末，按照輸進(jìn)來的圖案的形狀進(jìn)行掃描，就是熔化掃描。這一層掃描完了以后，再把這個承載臺下降一定的距離再鋪第二層粉，這樣逐層掃描以后就可以獲得一個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的或者實(shí)體結(jié)構(gòu)的各種各樣的零件。這個技術(shù)具有很大的先進(jìn)性，不受空間幾何形狀的限制，尤其做一些復(fù)雜有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，這個結(jié)構(gòu)應(yīng)該說是未來3D打印是第三次工業(yè)革命，這是以前所做不了的。

華南理工大學(xué)應(yīng)該說是比較早地進(jìn)入到金屬的3D打印的研發(fā)，包括設(shè)備，包括工藝材料，包括應(yīng)用這方面。我本人從2012年接觸到這個技術(shù)，2014年就跟北京隆源一起，把DiMetal-240做出來。2007年我們又做出了第二套樣機(jī)280這套設(shè)備基本上都是不銹鋼、鈦合金都可以用它來做。2012年我們又開發(fā)出商業(yè)型的機(jī)型100。所以我們?nèi)A南理工大學(xué)所在的位置應(yīng)該說在系列金屬級做的工作還是比較多的。

這是我們的280和100設(shè)備的一些具體參數(shù)，這是激光的功率有所改變的，這里面最大的差別是在成形區(qū)域，從170×170，從290×290都可以進(jìn)行不同的市場配置。

這個是我們現(xiàn)在在這個展會上有一個展覽，公司的名字叫信達(dá)雅，我們除了有100和280之外我們還有一些其他的研發(fā)500型的也在研發(fā)當(dāng)中，很快就會出來樣機(jī)，未來這個方面的技術(shù)會有一個系列的設(shè)備。

這個金屬件的成形它的應(yīng)用是非常廣的，尤其是在輕量化。我們很多現(xiàn)在仿生的結(jié)構(gòu)，像飛機(jī)或者一些其他的結(jié)構(gòu)，我們不一定把它做得里面都是實(shí)心的，尤其在飛行器方面，達(dá)到足夠的強(qiáng)度和性能要求方面，份量輕是一個最好的選擇，這方面未來需求比較廣泛。另外就是有一些結(jié)構(gòu)，我們可以通過設(shè)計(jì)的方式打破它過去的這種傳統(tǒng)加工的限制，可以做到一個最輕量化、結(jié)構(gòu)最簡單，但是它的功能，它的力學(xué)性能和其他的各個功能能實(shí)現(xiàn)的這樣一種設(shè)計(jì)。這個在傳統(tǒng)加工來講不大好實(shí)現(xiàn)，用金屬成形的方法就可以實(shí)現(xiàn)，這是國外做的一個零件。用傳統(tǒng)制造，它的重量是比較重的，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，用這種方式做比較輕，怎么去輕量化，達(dá)到它的功能要求。

怎么設(shè)計(jì)我們所謂的輕量化也有一些方法，我們可以用所謂的正向設(shè)計(jì)，構(gòu)建一些基本的單元體，比如說我們用各種各樣的數(shù)學(xué)方法去把它做成各種各樣的單元體，按一定的體積分?jǐn)?shù)去把它進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到不同的密度，都可以設(shè)計(jì)出來。這個未來的機(jī)器結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的時候是一個很大的影響。

還有一個我們是一種逆向的設(shè)計(jì)，比方說從基于影象的設(shè)計(jì)，這個是我們的骨骼，它有一定的規(guī)律，我們會從中取出一定的單元體來，按照體積分?jǐn)?shù)把它放大縮小，我們也可以獲得不同比例的或者不同密度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這應(yīng)該說是在目前3D打印設(shè)計(jì)方面一個非常重要的發(fā)展趨勢，就是這種基于影象的設(shè)計(jì)。

當(dāng)然我們要突破這個設(shè)計(jì)，也就是在3D打印精度成形里面它尺寸的約束。這里面最大的問題是激光的光斑，以激光光斑來熔化的過程。你的精度和你的表面情況和這個光斑大小是有直接關(guān)系的，所以這個怎么突破它，包括一些極限的零件，我們的一些特征尺寸，這是我們一個放大的圖，在很小的區(qū)域，100微米我們做出來的話在微觀上它在表面上很復(fù)雜，怎么達(dá)到一定的尺寸精度和表面粗糙度要求，這也是很關(guān)鍵的。

這是0.1毫米，包括我們可以設(shè)計(jì)一些這樣的測試的方法來看看不同的極限尺寸，從0.15到0.6毫米的鈑金結(jié)構(gòu)，還有它的一些柱狀的結(jié)構(gòu)，我們都可以獲得一些極限的尺寸，這對我們后面的設(shè)計(jì)是有一個很大的關(guān)系。

還有一個是力量結(jié)構(gòu)，我們知道很多內(nèi)部結(jié)構(gòu)它沒辦法的時候是要支撐的，金屬是要支撐的。在不添加的情況下，我們可以做到什么樣的角度，這對設(shè)計(jì)來講是非常重要的，我們的設(shè)計(jì)人員必須要有這方面的意識和這方面的知識，知道我在制造的時候什么樣的角度適合這個工業(yè)來做，我們在前面也做了很多基礎(chǔ)的研究工作，包括這種極限的角度，在不同的材料來不同的擺放，對它成型的精度的影響。

這是我剛才提到的，我們用一些數(shù)學(xué)的模型，比如說數(shù)學(xué)里面的P結(jié)構(gòu)、D結(jié)構(gòu)和G結(jié)構(gòu)。我們把這個結(jié)構(gòu)放大或者縮小取出它的特征值來，我們就可以獲得不同的數(shù)值。所以它可以做到很致密，也可以做到很輕量化，非常輕，比如說人的骨骼，它要求的強(qiáng)度并不高，現(xiàn)在我們用金屬材料做這個植物體的話，實(shí)際上都是超強(qiáng)度的，但是它本身的重量是要重很多，如果說我們要達(dá)到它骨骼強(qiáng)度的要求，在重量上盡量輕化，我們這個模型就可以做。

另外在基礎(chǔ)方面，很多人都問我一個問題，你做的這個金屬的零件，它的強(qiáng)度是不是跟傳統(tǒng)的鑄造一樣呢？這個我可以告訴大家，它是完全結(jié)合的，實(shí)際上是個焊接的結(jié)構(gòu)。如果說它是不致密的，或者我們焊接里面有氣孔，這是個不合格的產(chǎn)品。作為金屬成形的基礎(chǔ)必須要做到致密。但是我可以用改變一個策略，還有像剛才我講的我改變設(shè)計(jì)的，就可以達(dá)到不同的致密度，我可以要求做一個零件，表層是致密的，密度可以有一定的疏松。

大家看到的這個是一個萬向節(jié)，我們首先要設(shè)計(jì)出12個零件出來，然后把它組裝起來，這是傳統(tǒng)方法做的，沒有辦法回避。但是我們用3D打印怎么做呢？我在計(jì)算機(jī)里只要設(shè)計(jì)三個零件，在計(jì)算機(jī)里完成組裝，這是很容易的。它有一些約束是不需要你去考慮的，直接就把它做出來，我們設(shè)計(jì)的時候就考慮到這個間隙怎么設(shè)計(jì)，怎么去達(dá)到在擺放的時候，在成形的時候用什么角度達(dá)到這里面的沒有支撐，或者是比較少的支撐，我把這個東西拿下來之后，這個東西是完全可以活動的東西。

這是我們?nèi)ツ陝倓傉f明的一個算盤和銅錢的設(shè)計(jì)。大家知道算盤的珠子有很多，都是可以動的，這個設(shè)計(jì)也是非常有意思的，我們把它設(shè)計(jì)出來，也做出來了，在去年的新加坡的第一屆3D打印大賽當(dāng)中獲得了特等獎，應(yīng)該說在這方面還是做得比較突出的，尤其它的細(xì)節(jié)做得非常好，在新加坡獲得了獎項(xiàng)。當(dāng)時我們投入了朗閣，除了算盤和銅錢以外，我們把算盤和竹簡也結(jié)合在了一起做了一個設(shè)計(jì)，這里面包括了一些文字，包括算盤的東西。設(shè)計(jì)完了以后，最后把它做出來，它是可以活動，可以彎曲，在國外也得到了比較高的評價。這個更大的是一個設(shè)計(jì)問題。當(dāng)然這種設(shè)計(jì)也做了很多，包括這種球關(guān)節(jié)、三角環(huán)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、滑塊等等。

剛才鞏老師也提到了激光熔覆，這是我們做的一個噴嘴的設(shè)計(jì)，至少有三個零件來設(shè)計(jì)，我們想把它完全一體化，就不用組裝了。把這三個聯(lián)結(jié)在一起直接制造出來，激光的通道，里面有水冷的通道，還有粉末的通道，這個設(shè)計(jì)應(yīng)該說是比較好的，我們也做了一個噴嘴，這個噴嘴不用再去組裝了，用這個東西做出來的東西完全可以實(shí)現(xiàn)，這是一個非常大的優(yōu)勢，應(yīng)該是一個比較好的應(yīng)用情景。

另外我們也做了一些其他的東西，這是一個建筑的模型，也可以打開，里邊有很多網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這也是今年我們?nèi)バ录悠聟①�，它是一個建筑的大賽，沒拿獎，設(shè)計(jì)也是非常有意思的，它也是中間可以打開的，這是我們從別的地方拿到的一個數(shù)據(jù)，也是驗(yàn)證我們做的這個精度和它尺寸方面的一些優(yōu)勢。

其他方面我們有了設(shè)備以后做了很多工作，各種各樣的，我們做了金屬，它里面曲軸、散熱器都非常的精細(xì)。

在航空航天里面，這是國外的一個照片，有很多這方面的需求，包括很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括像各種各樣復(fù)雜的零部件，這個將來我想應(yīng)該發(fā)展需求是非常多的，優(yōu)勢也是非常明顯的。這些是汽車上的一些東西，非常適合輕量化。這是國外做的一些，在汽車方面的一些零部件的制造。

下面我說一下我們在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。華南理工大學(xué)有了這個設(shè)備以后，因?yàn)楹娇蘸教�，我們跟鞏老師，跟有些學(xué)校不一樣，我們不是航天系統(tǒng)的，我們是管理院校，這個設(shè)備出來以后主要是在醫(yī)學(xué)方面，包括牙科，包括骨科，下面這些圖片都是我們曾經(jīng)做過的項(xiàng)目和產(chǎn)品，而且這個在去年也獲得了優(yōu)秀的獎項(xiàng)。首先是牙科，這個目前在國內(nèi)來說是應(yīng)用比較好的一個技術(shù)了，在很多地方替代人工是一個非常好的趨勢，也就像前面搞材料對話里面有人講到的，本身這個有一些材料還是比較貴的，國外的設(shè)備也是比較貴的，所以我們的設(shè)備出來以后，可能會為這個技術(shù)的推動有一定影響。它的原理和過程，掃描到計(jì)算機(jī)里以后三維重建，然后經(jīng)過3D打印把它打印出來，然后送到醫(yī)生手里，醫(yī)生給病人戴上，這項(xiàng)工藝應(yīng)該說是很成熟了，問題就是你的設(shè)備還有這個材料是不是能被人接受，這是一個過程。

這是我們做的牙科的另外一個產(chǎn)品，革新華的舌色托槽。這個技術(shù)我們是把托槽放在牙齒的內(nèi)測，是目前不能先進(jìn)的方法。當(dāng)然這個托槽的制造要求就很高了，每個人的每個牙齒都要定制一個托槽。定制出來以后，在外面你是看不到它戴著矯治的，目前已經(jīng)拿到了產(chǎn)品的注冊許可證，所以有的人討論，3D打印醫(yī)用產(chǎn)品拿證是不是很困難？也不一定，看是哪一類的，這是屬于二類的，在省一級的就可以注冊，現(xiàn)在正在醫(yī)院進(jìn)行推廣。

這是膝環(huán)節(jié)的一個脛骨，這個我們也是用3D打印做的，而且致密度達(dá)到80%，是一個很大的突破，這個在國外目前沒人做，這個工作應(yīng)該是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工作，當(dāng)然金屬是我們的長項(xiàng)。過程是這樣的，在計(jì)算機(jī)里我們首先去給它模擬，然后我根據(jù)切的多少去設(shè)計(jì)這個假體，這個設(shè)計(jì)出來是個定制化的、個性化的，根據(jù)人骨頭的特點(diǎn)做的一個東西，應(yīng)該說是非常適合的，這是未來的一個發(fā)展趨勢，當(dāng)然這個需要認(rèn)證，現(xiàn)在我們在做一些其他的工作。

另外像我們前面也做過一些手術(shù)導(dǎo)板，我們不是植入到人體里面去，在做手術(shù)的時候打孔，打多深的角度，用模板來固定它，這個我們在做金屬的，導(dǎo)板的東西大多數(shù)目前在做的是高分子材料或者塑料的，那金屬有什么優(yōu)勢呢？第一應(yīng)用高，第二比較容易消毒，高溫消毒以后非常容易，比一般的塑料材料要有優(yōu)勢，如果把它做成產(chǎn)品的話還是需要認(rèn)證的。

3D打印這個技術(shù)，尤其金屬成形技術(shù)應(yīng)該是3D打印的一個主流的方向，尤其工業(yè)級的。剛才聽我講到的內(nèi)容，設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，所以我寫了一本書，叫《制造改變設(shè)計(jì)》，講的是3D打印直接制造技術(shù)，希望大家有興趣可以關(guān)注一下。