华南师范大学张庆茂：选区激光熔化成型技术及其应用

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。

华南师范大学的张庆茂教授，张交州长期从事激光的再制造技术，这次给我们带来的题目“选区激光熔化成型技术及其应用”

张庆茂：各位同仁，首先感谢光学综合学会的邀请来跟各位交流。首先我介绍一下背景，实际上我2004年到华南师范大学，但是在这之前，1986年就开始做高功率的激光切割的焊接，我去之后一做修复，为什么叫修复？之后做焊接。2012年，我开始转向超快激光的应用，我现在又做超快激光器，又做焊接，表面修复包括钻头的修复，纳米修复我也做。现在的成果是什么，玻璃焊接。大家看这个，玻璃焊接，我最高可以达到86，但是这个不是我今天讲的，今天讲的主要是选区熔化。
    分以下几个方面：大家刚才上午几位专家都进，顶天立地，因为我一直是做技术，从模具的修复、船的修复等来的，所以我们2007年广东才开始做第一个项目，就是激光选区熔化。当时我们做的熔化到什么地方，很惨，今天很高兴看到我们同行做到这个程度很好。但是在这个过程中，我们一直在做，3D打印增材技术，包括不锈钢我们也一直在做。在做的过程中，我们遇到了一些问题，有瓶颈。
    在这里跟大家分享一些失败的东西，供我们同仁今后工作中去参考。3D打印的重要性，我们可以把我们的思想推动数字、物理构件变成实际的面，这是3D打印最伟大的例子，就不多讲。优点很多，我不讲优点，我讲不足，因为我们也是在广东面临着不仅是研发，还是一个产业化的问题。现在我们开发的设备，适合制造形状复杂的工件。不足之处，技术指标难以达到产品要求。还有生产成本不具备竞争优势，我们到目前为止没有优势，为什么，因为大家知道，现在基本上用的设备不是我们自己开发的，是US的，它的功能对我们是逐步开放的，所以一些材料都是用他的。我们现在用我们自己的设备，有些时候能做到，有些时候做不到。
    另外生产效果，如果是生产一些个性化的制造没有问题，大型的还是很低，这是一个问题。另外可以达到的层面是有限的，这跟我们说是无限的不相关，它确实有限。我们能够真正拥有的材料很少，但是大家知道我们国家的科技材料有5000多种，现在我们确实有很多的工作要做，这是不足。
    现在最大的问题是什么，上午王总包括李教授都说，实际上就是性能的不稳定问题，还有特殊结构，我们怎么能做出来，这些东西都是我们面临的问题。组织怎么设计、性能怎么设计、结构怎么设计，包括应力怎么做，这都是我们面临的问题。我们的核心部件全部进口、材料进口。大家可能说我们确实在用国内的材料，但是我们在做牙的时候，我们是用我们自己的材料，做其他的不敢用国内的材料。为什么？因为每次做系统测试后，不知道是材料的问题还是设备的问题，但是没有办法，只能用国外的材料。
    另外，信息技术高度融合，这部分我们要做。另外现在设备是这几家在推进，EOS、3D system。
    应用的领域比较少、门槛高、标准缺失、竞争激烈。个性化定制，很难降低成本。我们难以满足复杂零件中不同部位对不同性能的要求。还有市场上有一些模式，多样化，利润空间挤压，现在设备国内生产装备的企业很艰难。
    激光对材料加工的方式，现在大家想想，它都是单一的激光，无论是切割等等，这是大家都熟悉的，这个增材制造，我们现在也还是有一些不足。
    为什么我把这个拿出来，我想跟大家分享一下我们做的情况。下面做的是梯度原位支撑复合材料（音）。最上面是我用电化学方法把其他的组合。下面是我们在设计成分过程中，我是形成铁炭和供应组织，保留一部分材料，是提高它的寿命，这是我当时做什么用的。大家可以看，这边是我们典型的前放，我们当时用熔覆的方式，替代传统的镀铬和等离子。
    大家看我们做的这些东西，都是当时为了提高它的性能，因为大家知道这个检测方法，你做得好不好。性能要求非常高，他希望我们摩擦系数要小，摩擦系数不能增大，要它保持不变或者是降低。所以通过我们这种成分设计，我们可以实现激光熔覆的方法，可以保证或者实现摩擦系数逐渐降低，这是表面信号。
    实际上大家看，当年我们国家最早是热处理，现在我们还做什么，我们还利用激光熔覆的方法，但是有脉冲激光，在这个基础上开发一种方法，用合金化的方式去做。我少量添加，其他的元素进来了，带来什么？性能提高的同时，出现了裂纹。怎么办？我想我们是不是可以设计一种成分，让它既能提高耐磨性，又不降低脆性，也就是强韧性匹配。所以我们大家都知道，我们铁炭（音）右边有一个精度，实质上我们国家在铸铁方面，我们只是围绕4.3在做工作，其他没有。所以我们想有什么好处？它的流动性最好，我们在设计过程中，让它部分保留起来，在这个状态冷却过程中，可以吸收一部分引用，避免这个情况。在使用过程中，在应力状态下可以实现，就能解决一部分，但是并不能带动。
    所以在这个基础上，大家用熔覆方法可以设计，慢慢随着我们对体积的增加，我们开始进入增材制造快速成型。实际上我们整个思路是这样的。
    我个人认为激光增材发展趋势是什么，上午有很多的专家介绍，我想我们应该发展的是什么，重点大家应该关注两个核心。这就跟王博士说的一样，你一定要关注新型激光技术，我这里指的是皮秒、飞秒。国外飞秒1000瓦到2000瓦已经有了，已经在做的事情。另外单一合金或多种合金混合，我们要考虑，我们做钨合金的时候，解决不了裂纹，它就开裂了。怎么办？我们想怎么保留，实际我们最终查文献，可以解决，但是根本问题不能解决，还有一种方法，去加热，这是大家要关注的材料。
    还有性能层次，高精度、高性能，评价方法是制约我们应用的，因为我前段时间一直做的是什么，做的船用的，这个轴块不需要输入，那也没有多少钱，所以没有人问你有没有资质，有没有标准。当我们遇到第一件事，它没有这个资格证，所以我们要有自己的标准，这是性能层次。还有是设备层次，要做大，实际上小的要根据不同的装备，要开展大型的装备。另外一定要注意增材制造要跟传统技术融合，如果不融合，解决不了技术。当年我们是用电子加热，很快在这个表面成型。另外要做高效率、高寿命、低成本、人性化的制造方法层次。
    要突破哪些技术。第一是材料问题，为什么是这样，因为我们最早在90年代末，我们做修复的时候，实际上都是按照这个体积做，没有按照激光的快速修复去设计，所以我们一直是在这个情况下是弱项，所以我们要看这个材料。之后看它的设计原理，我们要开发出这样的材料。
    另外还有光源。这个数据有点老了，但是这个数据是我们做的。2014年，对广东省的激光企业现状进行了调研，因为行业协会跟专业公司结合，对我们的设备实际上有约束。激光焊接设备为啥是这样，首先激光镜头是有，镜头是进口的，焊接头是进口，我就问哪个是你们的，这是开玩笑。但是我们大幅的东西被别人拿走了，我们是给国外打工。所以大家看这个数据很可怕，但是我们非常欣喜的是，随着瑞科，随着创新发展，我们的高新激光器，我们在中小功率上占领非常大的部分，甚至可以说独霸天下，这个话有点大。但是我们想没想过，我们的激光器大家解剖没解剖，它的激光器和我们激光器组装3D打印是不是一样的？我不知道在座有没有思考，因为我们在做激光器，在做3D打印，会遇到这些问题，因为什么？因为我们是做焊接出身，所以我们对波形和激光产品要求非常高，所以大家做装备的可以考虑一下。
    还有一个是影响因素的问题，要解决什么，要解决每一层在单层里面的关系，还有上下之间的关系，还要解决什么问题，要业绩热处理的问题。没有热处理性能是不稳定的，而且你用热处理有一个最好的方法，就是可以实现组织有效性的转变。我们在做钴合金和铬合金的时候都做了。
    我个人认为3D打印是标志着精密制造、航空航天、复杂模具等最核心最体现我们价值的。我刚才说我们一直在做修复或者做焊接，实际上我们团队三个方向，一个是现在的制造我们一直在修复，有一个做焊接，焊接我们做的是玻璃的焊接。我们非常有幸，广东省的重点现状就是包括广州市的支持下，我们联合广州有色研究院，也就是说现在的协同创新研究院，上海、深圳，还有广州，我们一起承担这些项目，从材料、工艺、设备和应用，我们进行多方位的一种探索。
    大家可能知道，2003年广州有一个很大的事，就是我们广州的激光，当时在激光制造这一块是我起草的，当时他说3D打印这么好，你们为什么不去做，所以我们就在指导下，我们成立了广州打印产学研技术创新联盟，我们是第一个成立创新联盟，广州当年有很多项目，我们是第一个拿到的。通过这一点，我们联合这些企业，包括福斐，我们做的工作给大家介绍一下。
    第一，有色金属研究院开发合金方面已经有非常好的工作，他当年从前苏联进口一台最好的设备，所以我们一直在做这个。另外我们跟瑞通不只做激光器，还做产品。它做创新和服务的建立，这是我们的目标，这是有色已经完成了，现在的线路今年已经提交到市里组织验收。3D打印设备现在已经开始销售了，现在是他们在做。服务与应用，是广州市的一个研究院在操作这个事情。同时我们也获得了广州市重大课题的支持，所以我们开发了这样一种材料。
    因为它这些材料，你是协同创新，所以它的材料我们是先用的，我们怎么用呢？因为大族的设计和瑞通的设计用它的材料去做了性能整治，这也是协同创新。当时我们说什么叫协同创新？你做的材料不用卖给别人，所以用我们的设备去打印，已经形成产值，因为原来有色院这部分成立材料加工所，现在有几千万的销售。
    另外基于3D打印的装备也做了，这里面我们确实做了一些创新的工作，比如激光器，我们仅支持自己做。当然我们做的还是有很多问题，但是不管怎么说，我们按照我们的思路去设计一些参数，希望能够解决什么问题，我们提出了一些问题，实际我们对整个情况有一些理解。还有我们要解决每次打印的一致性，不仅是结构的一致性，性能也要有一致性。还有装备，我们使得现在的应力和热应力的控制，要考虑怎么样控制。同时还要看它做的一些工作。
    还有3D打印服务，这是虚的，但是我们这里面也培训了很多人，因为广东的市场很大。我们中小学搞了一千人，红红火火，现在走入课堂很厉害，所以我给大家提供一些情况，将来都是你的用户。有色院做的什么事情，这是广东省做的项目，这是做的一个打印钨合金，做得非常好，因为原来也有军工背景。
    这部分是我们做的，不同程度的组织和走向不一样。我在想这个问题，我们每到了搭接，我们这个也是搭接，每次搭接的时候，我们有一个作用，不仅也相变。层与层之间也存在这个问题，造成每一层的组织非常复杂，我们怎么样去按照我们的热去设计成分，实现我们的控制。大家知道有很多的方面，我们怎么样把它至今的距离让它更密。还有我们结构，现在有超快激光，是不是在它第二次来之前做呢？我们是不是在最终做完之后一些件，我们是不是要改变它的应力，这些能不能提高我们的疲劳性能。所以这些东西我们都在思考，因为我们在做什么，我们实际上在做一些微电子，任何我们去修，我们就想那么小的东西能做，这么大的能做吗？是可以的。而且大家如果去查阅文献，实际上国外有报道，对焊接过程去看它的性能，大家思考，因为我想这个问题会引起大家的注意，包括结构的问题。
    还有一点，不同金属打印，包括杨老师也说了，这是钨和铜。模具应用，全国除了浙江省个，广东省模具应用是最大的，广东省占了40%，江浙一代占了60%。当年2006、2007年，我们看这个情况，后期有光纤的。大家可以看到，这是我们做的，王总设计师和李老师说我们没有出口，只能做这个。还有一点他要求最低，为什么最低？大家想它的性能是什么？枝桠基本结构就够了，有裂位也不怕，另外它外面还搞一层，没有问题，所以我们要研究它做。现在这个卖得最好，这个牙齿很便宜。
    另外还有植入体，中午吃饭的时候我也跟大家交流，我们在广东做了很多。第一，2007年用最简单的方法，手骨折怎么办，要接上，要打孔，打孔非常难，它滑。怎么办？我们做了一个模具插到这，之后做的。因为它也不涉及到别的情况，所以在广东植入体，比如骨盆等都在用。所以我们这一部分没办法，你要不换就没有生活质量。所以我们在解决这些生活中，还是做了一些事情的。
    打印装备解决这么多。我们讲一些增材制造的现状，我们在保持珠宝行业，有一家企业做得非常好，用3D打印的钛合金的东西非常漂亮，在一次展览上，一位模特穿了以后，惊艳全场。
    去年在多方努力下，在广东激光制造和增材制造，也是有一个研发项目。到目前为止，支持了13项。为什么？原来有一项我们参加答辩，有两项是支持我们开放课题，大家看它是开放课题，吸引500多家高等院校、企业和研究所来，所以广东有很多新的东西。现在据说马上上报省政府，上报省政府，我估计就会邀请我们，今年的力度不会小于去年，这是我给大家介绍的一个方面。我也非常欢迎各位同仁到广东去，离市场最近的地方来共同发展。也希望各位老师、各位同仁有机会到广东看看我们实际做的东西，可能做的比我讲得还好，因为我的语言组织能力还是不太好，希望能给大家讲明白了。谢谢大家。

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