华南理工大学杨永强：基于机器人的等离子/激光增减材制造技术进展

2019年6月28日，激光制造与再制造技术及应用研讨会 在北京兴基铂尔曼酒店召开。现场专业人士众多，南极熊3D打印网是本次研讨会的合作媒体。


下面是现场速记，或许有些不完美之处，但总体上干货信息量很大，值得阅读。

杨永强老师，他来自华南理工大学，也是博士生导师，合作研究院的院长，也是长期从事3D打印这一块的相关研究，二三十年做这一块。

主持人 李怀学：好，尊敬的各位领导老师，各位专家，各位同行，今天非常荣幸组织这个会。我是来自航空制造技术研究院李怀学。下面，因为上面的报告王总从航空及结构设计制作，包括整个需求这一块跟增材制造，包括其他的相关先进制造技术结合这一块。钟老师提的是前沿性的技术，把超快激光微纳结构制造结合到一起，具有非常独特的性能，也是未来非常前沿的技术，包括前沿应用这一块，是非常精彩的报告。下面邀请杨永强老师，他来自华南理工大学，也是博士生导师，合作研究院的院长，也是长期从事3D打印这一块的相关研究，二三十年做这一块。大家以热烈的掌声欢迎杨老师给我们作报告。

    杨永强：好，谢谢李怀学老师的介绍。今天很荣幸来参加激光制造和再制造的会议，其实我本来也是做激光的，今天有很多老朋友，包括钟敏霖我们以前是在天津的同事，大家都发展得比较好。
    其实今天的报告，我平常是做3D打印报告，一般都是讲激光选区熔化和钛应用方面的东西，今天我等于算跨了界，也不算跨了界，我讲的是现在最热门的几个话题：
    一个是增减材。现在说增材制造、3D打印，发展到今天，其实慢慢都面临着工程化的应用。面临工程化的应用，都面临着很多具体要求，精度、表面质量那些东西，仅仅是增材制造已经达不到了。
    第二，还有一点是机器人，因为机器人是和我们现在3D打印包括激光同等水平的一个热门话题，现在也专门有这方面的一个课题。
    第三，这里边我又抛出来一个等离子，今天跟我们激光的主题不完全一致，但是它也是属于高能束的一种。
    现在我们做增材制造，现在主要主流的是激光和电子束，其实大家不要忘了，我们高能束里面讲三束，除了激光、电子束以外，还有等离子体。等离子体作为高能术的代表，其实它应用过去远比激光要广泛得多，切割，包括表面的处理，董老师这边以前也做过很多等离子的东西。包括再制造，现在切割发展得非常快，但是要主流还是等离子占的份额比较大，所以等离子作为一种非常有用的高能术，除了过去做焊接、表面处理、切割以外，最近也引入到我们说增材制造里面来。为什么，因为以前它也可以做激光做的事情，电子制作，都可以做，只不过它的束棒更大，做出来的东西更粗糙，不加工是很难使用的，但是如果将来减材，等离子竞争也非常强，因为它的效率非常高，后面我们会跟大家介绍。
    由于刚才讲了这个话题，增减材是现在非常热门的一个发展的方向，其实全国的情况，国家重点研发计划我也知道有这方面的支持项目，广东省也支持了好多这样的项目，不是一个，很多这样的项目，我们也拿到过，包括我们现在也在做相关的东西。如果用等离子做增材，包括跟减材复合，它更注重大的零件，包括现场修复。今天董老师出了一个题，激光制造再制造，我把重点放在再制造这一块，等离子做现场修复有的时候比及更灵活一点，尤其是选择一些比较大的，包括我们在航空，包括像核电和其他的一些比较大的零部件这一块的应用，可能会更好。
    机器人来做增减材有什么优势呢？机器人是一个移动的平台，而且它的整个的活动范围、臂长可以很大，所以现在我们开发的这套机器人的系统有单机器人、双机器人的。单机器人的这个系统，其实我们就和传统的机器人的加工很接近了，就是我机器人像换了个刀具一样，我换了一把等离子枪过来进行增材。我也换了一把激光，为什么叫等离子激光，我也可以用激光，把它腾过来。我也可以同时再抓一把，所以它是一种减材，再变成加工处理方面比较方便。
    两台机器人如果在实验室里面很方便，我现在实验室有两台机器人，一台机器人做增材，一台机器人做减材，灵活度要求不一样，因此是非常好的一种可以解决我们说现场修复大型零部件，尤其像大的零部件，包括几米甚至更大的零部件用这种，其实比数控系统更方便一些，当然它本身也存在它的一些问题。
    我们现在搭建的这套系统是六轴机器人，两台六轴机器人，加上两个机器，一共14个轴，所以它起来实际上控制的因素比较多。这个机器人，刀库，除了刀具以外，等离子和激光，可以送粉和送丝，因此它可以说是适用性比较宽，包括我们专门研发的等离子的熔复投（音），包括激光的熔复投，有一些相关的东西。
    机器人系统，我们说修复也好，或者它做大零部件增材制造也好，还有一个就是监测的问题，因为现在在增材制造过程中有没有缺陷，有什么问题，有一个在线的监测和离线监测，我们也做了工作，就是有一些在线的要监测的平台，还有回溯的一些功能。
    因此，这套系统我们把搭建的机器人，单机器人和双机器人系统，这两个系统是根据你的需要，你的预算可以选择两种不同的方式，加上在线监测质量回溯，以及控形控细方面研究以后，我们在很多工程院进行应用。我们前期已经做了一些工作，包括送丝送粉的，有等离子、激光的，都做了。同时机器人拿这个进行铣削，最后质量也是不错。材料，目前我们涉及到炭钢、不锈钢、铝合金、高温合金，主要是粉材，也有部分丝材做这些工作。这是我们做的一些机理方面的研究。
    应用方面，我们这次也承担了一个项目，主要是做轮胎模具，这个模具很大，可以看一下下面的这张照片，它直径大概5米以上，它的结构也不是特别复杂，但是它也是凸起的结构。过去铣削这个东西相对来讲工作量比较大，我们就是用这种等离子堆积的办法给它做结构，然后再通过原味（音）铣削。更重要的技术是磨损和损害以后的修复，还有一些航空和法兰盘这些不同的零件，核电里面大的零件，大的很大，基本上我们没有办法移动它，只有把机器人弄过去，把它损坏的地方铣削，铣一块下来，再堆上去，再铣削，这样去做现场修复，这样的东西。
    下面我介绍一下我们华南理工大学团队，在这方面的一些工作的进展。我们这个团队是依托了国家金属材料渐进成型工程技术研究中心，我们也是这个中心的一个团队，当然，我们也有一个广东省金属增材制造的研究中心。我本人在这方面做了一些工作，我的团队主要是有几个，大概五位教师，还有研究生。我们研究生比较多，博士一年是一个，但是像今年有两个，我们是有工程博士，硕士我们一般大概2到4个，这两年都到4个。另外还有非全日制的专硕，也是考上来的，现在学生比较多，但是学生就是还是流动性比较大，我们也有一支专业的研发队伍，所以在工程化这一块，我们还是有比较多的人员，包括这个项目，除了我们单位以外，还有其他单位我们来做这个项目。
    我其实主要是从2002年开始，主要是做激光熔化这方面的东西，我们2004年就做了国内第一台金属铺粉的设备，后来陆续又研发了很多型号的设备，包括专利现在大概300多项，授权的发明专利也有49项，所以现在这个方面的知识产权还是比较多的，我们也在铺粉领域拿过一些所谓的奖，就是做过一些工作，我们现在在广州做专门产业化，像最小的50机，100、300的机器现在也在销售，主要用在医学领域。有的像增减材复合机器，（英文）S的这一系列，它是在铺粉的增材过程中也加了铣削，我们也有大的设备来做。所以我们这一块做比较多。
    还有一个比较有特色的就是多材料的金属打印，主要它从上面可能有四种材料，可以每一层铺不同的材料，这里可以做什么？在高的方面，我们可以做不同的材料，这个其实是很有用的一个东西，就是包括三明治的结构，或者是其他结构，我们也做了一些东西。像这样下面是钢，上面是铜，再上面可以用另外的材料，可以用不同的材料。
    甚至我们现在前期的一个项目，在一个平面上不同的位置，也可以呈现不同的材料，这是前边包括梯度结构、网格结构，也可以有材料的变化。应用方面，医学主要在口腔科方面做过很多工作。
    其实这次来北京，我的安排也很紧，前天参加了一个药监局的关于核能修复体植入体的一个项目申请医疗器械许可证的评审，因为这个领域里边，我看有很多成果进入到临床，这方面应该是不错的，我们也在外科做过很多工作，今天主题不是讲这些东西，我就不讲了。包括专利方面，其实我们在3D打印植入这一块，华南理工大学的专利是第三方统计，我们在里面排在第一位。因为我们做得比较早，我们2004年开始做这个机器以后，当时想找应用，在模具里面，工业上面我们没有好的条件，能够涵盖应用，其实我们主要在医学方面用。医学方面，我们就跟很多医院基本上口腔、外科，甚至眼科都做过很多工作，所以我们也申请了很多的专利。
    包括这个增减材这一块，核心零部件的研发，主要是一个等离子的熔复投（音），这个等离子的熔复投我们前期跟乌克兰有团队也合作，他们是做等离子方面非常厉害，这一块也做了很多基础的研究，包括等离子的设计优化以及模拟，这里简单过一下，因为等离子这一块做的物理方面的东西，我也不是很懂，我们团队做了很多这方面的工作。它也是一个同轴送粉的东西，但是应该说这方面的效果还是不错的，尤其是我们把送粉的熔复投、等离子投应用在增材制造这一块，应该说效果还是非常好的，这是不同的条件下的一个仿真研究。
    除了等离子头以外，现在做等离子头非常少，一般只能到做焊接的厂家，基本他们都是仿制国外，所以研究也比较少。我们激光的喷嘴这一块我们也做了一些工作，包括像这种三孔的，现在在市场上销售的，好多人都是纺织德国的产品，三孔的这样的喷嘴，我们其实很早就做过，2009年的时候就做过三孔的喷嘴，一体化。现在喷嘴都是机加工，我们把它一体化设计，用三维打印方法做这个喷嘴，包括它的中间激光的通道、粉末的通道、保护气体的通道，以及里面所有空间的地方，我都给它变成了水冷的通道。
    现在这个喷嘴，在座的有没有人知道？它都是用铜做，我们可以用不锈钢做，为什么呢？因为铜主要是导热性好，我们不锈钢做，怕它导热性不好，因为不锈钢做了以后，把这个壁做得非常薄，里面都通上水，所以效果非常好。这是我们曾经做过的。
    我们曾经也卖过几套这样的喷嘴，2010年左右的时候。这是我们曾经做过的六孔的，现在它一般在市面上卖的都是三孔或者四孔，我们也做过六孔的，六孔是我曾经在德国的时候做的工作。现在我们又重新把它根据现在用的激光，过去激光一般都是两千瓦、三千瓦，现在可能在六千瓦甚至一万瓦，甚至我们现在往小的上面做，几百瓦的，整个重新设计喷嘴。左边是精加工的设计图，右边是我们设计的，现在3D打印的。这个喷嘴是3D打印做出来的，所以应该也是不错的效果，这是看起来比较年轻的，2002年的时候我就做这个喷嘴，它是6个孔朝上的喷嘴。所以这一块我们也有比较好的基础，因此在等离子增减材这一块，我们开始做了这方面的研究工作，也做了两套系统，这是现在把等离子和激光集成在一个系统上面。
    我们可以看到，尤其等离子这个熔复投做得非常好，基本上它的粉末利用率100%，因为它这个设计原理的原因，粉末是熔化了以后才喷出来的，所以基本上没有多余的粉末出来。如果是激光，它一般多多少少会有粉末散出来，就是没有熔化的粉末，这个做得非常好。最右边像换了一把刀，这去年的时候我们也做了一次鉴定，也是广东省的重点研发计划，照着国家的重点研发计划的模式，在座的也有几位专家参加了我们的项目评审，我也是非常感谢。但是我们讲，我们在这个方面的的确确做了很多的基础工作，虽然我是这么多年来一直做这个铺粉的激光熔化，但是在等离子这一块，我们2010年开始，包括它一些基础的东西，我们也在做，一直在积累。所以在这个方面，我觉得还是有一点特色，这是我们的两个机器人的系统，这是包括可以切换，激光熔复（音）的喷头，包括等离子的情况，这是一个方面。
    最大的一个特点，它的效率非常高，我没有算过激光的，你看它这个大概高度，我们有3万毫米，大概是高度67毫米，我们这一块用的50安的电流，如果用到300安相对更好，对等离子有一些本身的特色，这是等离子做的，可以看到它的粉末就没有四溅，所以周边也是比较干净的，这是做的各种形状的。
    这是我们用激光做的，我们做了一些医疗的，激光的结构相对等离子要更精细一些，但是它跟精加工（音）相比还是差了一些。其实铣削的问题，包括执行精度，其实它也没要求，都是可以达到的，只不过我们机器人，现在很多情况，最大的一个是机器人的稳定性，那个机器手是不是能稳定在这里，做一个平面。现在我们选择比较大的机器人，做的是达到五六十微米这样的精度，还有十个微米以下，五微米到十微米还是做得比较好。整个系统要优化。
    最后总结一下，因为机器人包括送粉送丝，是我们近几年来的趋势，它是开展的方向。是适合大零部件增减材的制造修复，它其实在现场还有移动的方面，应该涉及到一种方法。另外等离子跟激光比起来，它的效率会更高一些，尤其是做一些东西，等离子会更好，激光相对来讲可以做一些更精细的结构，效率是中等的水平。
    这西边铣削主要是由机器人加高速电流，这样可以算成铣，这方面机器人会给我们提供一个很好的平台。但是和数控平台，现在砖瓦级，我们也有一套，它的精度稍微差了一点点，但是灵活性性价比很高，它有上千万，我觉得它做这个方面，也一直在做，有好多的生态系统，我估计受到了干扰（音），但是机器人这套系统配套很好，它不像钟老师说得大，我们也是大，但是不漂亮，但是有用。好，介绍到这里，谢谢大家。


提问：杨老师，报告非常精彩。我们这一块也一直做的是激光的增材，等离子增材我们也是从2001年开始，摇号做，我们也是在大的方向做。从等离子到焊接，到后面的3D打印，我们现在有粉和丝，你这个重点做的是送丝还是送粉？
    杨永强：送粉。
    提问：这两个地方，一个是送粉，一个是送丝，因为送粉它跟激光来比，它这个质量除了效率的影响，它跟工艺的灵活性方面，您能不能介绍一下，因为我们也是在做这方面，我一直在想能不能把等离子跟激光复合起来，为什么？因为激光精度高，但是效率相对来说低；等离子价格相对来说便宜，但是它的效率很高。关于这方面您有一些什么前瞻性的思考？给我介绍一下。
    杨永强：谢谢董老师，其实董老师才是这方面的专家，我们是最近几年做的工作。等离子前面我们做的的确是效率高，但是表面质量还有它的宽度要比激光要差很多，它一个是宽度比较宽，我们做到3万毫米的宽度，就不能用大的电流，我们开发的是微幅。后面机器人做的电流，那个又不一样了。如果说从效率上来讲，等离子远远大于激光，这是肯定的。但是如果我们用大电流的等离子做这个宽度，其实有点像电积堆碳（音），一下20毫米、30毫米、40毫米都堆过去了，效果非常高，等离子可以做这样的事情，越宽、粗，效率越高。但是精细的结构这一块，如果我需要的话，就可以用原位来保护它进行加工，这是一个增减材比较优势的地方，也可以是做完了以后的加工，但是从效率上远远大于激光，但是从结构方面要靠它来弥补，这肯定。
    过去没有人用等离子做，用微束做，跟激光差不多多少，但是把特色掩盖了，因为微束了，电流小。但是激光还是贵，等离子相对便宜一些，但是如果从大的角度来讲，这个大超过了激光做的，等离子会更有优势。时间关系，有什么问题下面跟杨老师请教，再一次热烈的掌声谢谢。


激光制造与再制造技术及应用研讨会 介绍

会议以激光技术、增材制造及再制造相关光电技术为主题，针对航空航天交通领域高质量复杂产品的全产业链以及全寿命维护等迫切需求，开展面向增材制造及再制造的设计、材料、工艺及装备、检测以及标准规范等相关光电技术应用研讨，提升增材制造及再制造技术的数 字化、智能化、高稳定能力，驱动中国制造高质量发展。

新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，为我国实施创新驱动发展战略提供了难得的重大机遇。制造业是创新驱动的主战场，推动制造业先进性发展，是扭转制造业低质低效、重塑产业竞争力，实现新旧动能转换的关键所在。大力发展先进制造业，是加快制造强国建设步伐，加速推动经济发展由数量和规模扩张向质量和效益提升转变的重要途径，以实际行动贯彻落实党的十九大精神的具体体现。

主办单位：
中国光学工程学会
北京亦庄国际投资发展有限公司
承办单位：
国际激光技术产业及应用协同联盟
再制造技术国家级重点实验室
高能束流加工技术国家级重点实验室
增材制造航空科技重点实验室
高能束流增量制造工艺及装备北京市重点实验室

会议网址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html