华南理工大学教授杨永强：金属3D打印技术前沿与挑战

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，在西安现场全程报道。

2019年9月 20 日“增材制造工艺与装备论坛”，华南理工大学教授杨永强做了《金属3D打印技术前沿与挑战》的专题报告。

下面是现场速记：

我给大家介绍一下金属3D打印技术前沿，这两天的主题大都关于增材制造，增材制造有很多种技术，很多专家都讲了很多，我就不一一展开了，我们只聚焦在金属增材制造方面。金属增材制造目前来讲主要是以激光电子束为主，可分为铺粉方式、粉末床方式、以及送粉方式，而电子束也分为送粉和铺粉两种方式。近年来3D打印热起来以后，随着各种各样的需求，一些传统的弧焊焊接方法引入到3D打印中。在去年，粉末粘接技术得到了国内外的重视，所以说目前金属3D打印技术是以激光电子束弧焊为主，附杂一些其他技术。

其中最主要的技术是激光选区熔化，是把电子束和激光选区熔化结合在一起。作为目前最有竞争力或发展最好的一种金属3D打印技术，激光选区熔化这方面有很多的特色，可以直接做到比较高的精度以及比较高的表面质量、内在质量，也是目前非常具有竞争力的工业技术。但是它缺点在于尺寸约束，虽然激光选区熔化在精度、表面粗糙度方面相对来讲比较高，但真正拿到工业上面去应用的时候，表面质量、精度方面还是差一些。除此之外，最大的问题就是它的成型效率，成型效率是制约这项技术发展的瓶颈问题。当然相对于我们现有的机械加工方式，激光选区熔化技术的的确确给我们提供了极大的便利，如果解决了高精度、成型效率、尺寸约束，这项技术未来得发展前景非常广阔。

国外EOS公司是金属3D打印技术最具代表性的公司，目前他们在市场上有两个标准机型设备占据市场主导地位，其次，SLM Solutions公司是专注于激光选区熔化的公司，他们的技术也比较好，而Concept Laser除了在医学应用比较成功以外，更大的突破在于大尺寸方面以及在航空航天的应用方面，Renishaw公司目前也有几款跟主流公司差不多的设备，在国外大概就这几家公司是比较好的金属3D打印技术公司，国内的这一块因为我没有拿到他们的第一手资料，所以我就不介绍了。

华南理工大学最早在2004年做出第一台激光选区熔化设备，后来又陆续开发了DiMetal-240、DiMetal-280、DiMetal-400等不同功能的设备，我们做了很多的工作，也做了产业化，从2013年开始，包括桌面机、面向牙科应用的DiMetal-110机、标准的DiMetal-280机、增减材复合机以及大型工件方面承担了大量的工作，我们在这方面的专利比较多，授权发明专利将近50件。其中在医学领域，我们做了很多研究，华南理工大学在医学植入体方面被第三方检索专利数量排在第一位。很多人认为很奇怪，华南理工大学为什么会有这么多专利呢？因为工作开展时间比较久，2007年2008年就开始做一些应用工作，大家清楚金属3D打印，尤其是在2010年甚至2012年之前，国内做激光选区熔化的人还是比较少的，而我们在这上面就已经做了很多年相关工作。在医学植入体方面，包括口腔外科以及关节我们做过大量的项目课题，现在我们牙科以及膝关节方面相关研究正在北京取证，这是国家政策和医疗许可方面特殊的限制，很多这方面的产品目前还没有完全用在临床上，但有一些做的还是不错的。

这是我们广州产业化的公司—广州雷佳增材科技有限公司，主要是做各种各样用途的金属3D打印设备，我特别强调一下小的设备精度是目前做的最好的，我们曾经做到大概25微米的精度，国内外设备这方面这么高的精度很少，我们这家还是比较有特色的。我们做的零件非常精细，当然其他的厂家也非常多，有很多的雷同我们DiMetal-280、DiMetal-500这样的设备，我就不讲了。因为我们做金属出身，现在不做尼龙不做塑料，而是做尼龙树脂包覆的金属粉末成形，主要是应用在核电屏蔽零件方面，在这方面我们做了不少工作。

金属3D打印技术前沿的几个问题，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业中是很重要的部分。

首先在大尺寸复合制造方面，我们自己做了一些工作，前期的工作我借用国外一些报道，在大尺寸方面美国一家公司他们利用弧焊方式做了一艘游艇，堆积增材以后，可以分几段打印成一条船。国内一些单位也在做弧焊方式成形，甚至用更大的一些设备做这样的成形，国外也有人在做，我们也做类似的工作。这一部分应该说是为了做大，昨天的讲座主要是以激光为主，激光的效率相对比较低，弧焊用起来是比较好的，甚至做一些像汽车上的一些零件，包括这么大的一些框架零件制造，这些都是很好的发展前沿。当然时间周期也比较长，需要解决材料、变形以及设备方面的问题。

不管送粉方式激光，还是弧焊方式激光，只能做一些接近的方面，增减材的效率比较低，现在国内做的人比较少，我们也不往这方面主要发展。增减材方面我们做过一个项目，用机器人等离子做增减材项目，增材用激光或等离子，减材是上面加一个高速的电主轴进行高速铣削。这个项目我们去年承担了广东省的重点研发计划，搭建了两台机器人，一台机器人做增材，一台机器人做减材，做增减材复合制造。增材做完以后可以换一个铣削头，我们也做了几套这样的设备，这一套是我们实验室的增减材系统。我们用送粉的方式，用等离子来做，成形效率非常高，粉末利用率也非常高。目前等离子成形相对来讲比较粗糙一些，但铣削以后基本上接近于机加工的形状，等离子的效率比较高，同样用激光也可以做这些东西。

此外，我们专门研究了激光送粉头，现在北航、西北工大也做了很多送粉的增材，做的非常好，但是在送粉头方面，最早我在2001年、2002年就做了孔式的送粉头，这个送粉头是用3D打印来做的，激光加上送粉的通道，再加上水冷通道，用四个因素集中在一起。我们这个喷头有点像GE公司的喷嘴，我们做了两款，在这方面做了一些试验，测试效果非常好。在喷头材料方面，现在看到的这些喷头大部分是用铜做的，而我们是用不锈钢做的。

在高精度方面，我们做的精度非常高，光斑非常小，激光功率只有75W，我们做过一些比较精密的东西，比如手机上某一个零件，对尺寸和表面粗糙度要求非常高，因为这个形状很奇怪，基本上不能加工，要求做出来以后简单的处理就可以用上。我们跟国内一家非常大的公司做了这方面的测试，第三方检测实验结果显示致密度非常高的，表面粗糙度达到了6微米，并且要求硬度也比较高的。3D打印大家通常的说法是单件小型量，而他们要求一天10万件，我们设计了一个方案，一个模块是一组，同时这么多模块又一起做，可以满足数量要求。后面我们也做了一套完整的方案，包括上料下料、高效率、后处理等。现在这些我还没有用上去，主要是由于手机公司要求非常高，我们在前期在做一些相关工作，做一些小的精密零件，批量生产。

在高效率方面，目前我们的技术是粉末粘接，现在国外有几家公司，像惠普他们也有人介绍这方面的工作。这种喷粘接剂的方式，也属于粉末床，把金属粉粘接起来固化，这方面用途很广。我们也是刚刚做这方面的工作，就没有把我们的工作过多的展示。这个技术的效率非常高，据说比我们现在的要快100倍，后面加上烧结以后可能会稍微降低一下效率，但这个技术也是非常有竞争力的。因为它不需要激光也不需要电子束，只需要一个喷头，喷出像墨水一样的东西粘接起来，我们正在开发这个设备，这个成本更低，效率更高，这也是一种新的技术。

在多材料方面，华南理工大学这些年做过一些工作，专门开发了一款上面有四个漏斗，同时四种材料可以送出来，理论上可以做到铺一层A，铺一层B，铺一层C，铺一层D的复合材料。具体的这种方式怎么铺粉怎么设计，都有一些专利，大家可以看一下。关于多种材料，如果能做成数字化的，把这几种材料用数字化的方式调整材料的成分，上面有四个漏斗，可以调整到不同比例含量，最后形成一种新的合金，那么就能达到数字化的要求，同时还可以做成梯度材料，在某一个方面进行梯度变化，此外，还可以做成原位合成，可以有选择性的做一些点线，用含氮气体做成氮化物。现在还可以做成梯度的多孔材料，成分和密度上都有变化，在一个零件里面，在一个立体的方向可以在不同的位置有不同密度、不同尺寸形状的碳化物、氮化物新物件存在。这是我们成形的多种材料，下面是不锈钢，上面是铜的，用三明治这种方式，可以达到三种材料。甚至可以在XY方向上变材料。像齿轮的轮廓是一种材料，里面是另外一种材料，这种成形难度是比较大的，目前还没有看到有报道用金属来做类似的东西。关于多材料我们也做过一些测试，界面系数不锈钢的可以达到77%多，组织微观结构、成分梯度和多孔材料的压缩行为等等都测试的不错。如果做研究，有很多学者可以在这方面做非常多的工作，大家可以关注一下。

其实金属3D打印远没有成熟，有很多东西没有解决，需要我们做很多的努力。刚才说的多种材料就有一些需要完善的地方，比如材料怎么分离，做完以后粉末不能用，大尺寸、增减材以及多能量场等方面工作还不够。如果我们把激光电子束、微波、等离子各个方面都能用起来，3D打印就能够有更加完善的方法。包括国外在内目前最主要的设备问题是在线监测、在线反馈修复和闭环控制等问题，我们做这些设备功能都没有完善，所以这里面留给我们的工作还是非常多的。此外，还有批量化的设备，这也是我的设想，如果有这方面的需求可以做的更好。

在材料方面，都说金属3D打印用的通用材料，什么材料都可以用，但真正用起来的时候就会发现，如果你对性能和质量没有要求，打一个东西看一看是可以的，如果你有性能要求，尤其是现在力学性能、表面性能以及内在疲劳性能的要求，这个材料的关系就非常大了，需要我们做很多的工作。还有一些常规用到的材料，比较关键的一些材料，目前3D打印做的时候工艺上面不能实现或者存在很多的问题，最主要的问题就是粉末材料相对比较贵，真正离工业应用较远，这方面需要做的工作还有很多的空间。目前3D打印整个的市场或者产业，更多的是卖设备，更多的应用还没有开展起来，未来这方面随着3D打印技术的普及，在更多的工业领域里的应用，尤其像模具、医疗方面，技术突破以后，3D打印的未来不止100亿美元，甚至有更大的市场，所以金属3D打印从业者，后面的市场还是非常多，面临的挑战也是非常多的。

我的报告就到这里，谢谢大家！