西安交通大学王豫跃教授：《超高速激光熔覆技术的最新挑战及在3D打印中的应用》

2020年8月20日-21日，中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行，此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导，中国增材制造产业联盟主办，繁昌县人民政府协办，南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

△西安交大王豫跃教授（代李长久教授）

在“中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛”上，西安交通大学材料科学与工程学院王豫跃教授发表主题演讲《超高速激光熔覆技术的最新挑战及在3D打印中的应用》，以下是本场演讲的现场速记，经大会组委会授权发布，希望对国内关注超高速激光熔覆技术的读者有所启发。

△视频：王豫跃《超高速激光熔覆技术的最新挑战及在3D打印中的应用》

王豫跃：各位领导、各位来宾大家上午好，我是西安交大的王豫跃，我们选用新的汇报题目，《超高速激光熔覆技术的最新挑战及在3D打印中的应用》。我将从以下三个方面进行汇报。

首先什么是超高速激光熔覆？

普通的激光3D打印对于金属来说都是用一些激光熔覆的原理，它的主要缺点就是效率比较低。因此在2017年，德国弗朗霍夫激光技术研究所提出了一种新的激光熔覆技术叫超高速激光溶覆。这个速度比传统速度高很多，而且单层制备厚度可以做到几十个微米，所以效率会得到比较大的提高。

为什么传统和高速的激光熔覆有这么大的差别？先直观看一下视频。左边就是普通的激光熔覆，3D打印大概是几毫米到几十毫米每秒，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，传统的用于3D打印的80%用于加热基材，20%用于加热粉末，但是超高速激光大部分用于加热粉末，所以粉末到基材之前已经到了熔化状态，这也是为什么能够像热喷头那样高效高速。

这个超高速激光熔覆技术依赖于硬件的应用和开发。

超高速激光熔覆技术和传统的激光熔覆只有在激光头和送粉头这一块是不一样的，其他都能够和普通的激光熔覆互换。这是2017提出的德国弗朗霍夫进口设备，售价在五六百万人民币。这是天津亚珅和德国公司一块建的，在0.6-1.6平方米每小时，当然厚度是比较高的，20-350微米，所以有效体积大概是每小时210立方厘米。刚才清华大学的教授讲铺粉式的激光熔覆3D效率一般是小于几十个立方厘米每小时的，所以这个效率最小是传统激光3D打印的几倍以上。

这是西安交大自己开发的超高速激光熔覆设备，用于回转体，已经到了第三代，这是主要的技术参数，效率也可以到达两个立方米。这是用于平面或者曲面，当然可以做一些复杂曲面。这就是在芜湖繁昌3D打印园的超高速熔覆设备。

西安交大开发的设备现在已经到了第五代，前面两代是圆光斑的，光斑大小是影响效率的重要因素，所以第五代选用宽光斑，效率可以进一步得到提高。和进口设备相比，我们的价格有优势，维护成本也比较低，前面讲到激光和送粉和产品的熔覆不一样，其他都是一样的，所以通过激光和送粉头的升级换代可以实现整体产品的升级换代，所以效率可以进一步提高，现在3D打印一个重要问题就是效率比较低、加工成本比较高。另外也可以依托交大的优势做一些开发，这是我们升级的超高速激光熔覆的专利。依托交大的技术优势，我们通过仿真方式模拟关键送粉头和激光的数字模拟，通过数字模拟结果进行相应的零部件。通过数字模拟可以看到粉末的直径从0.5毫米到30毫米，根据供应链需要的打印尺寸可以设置相应的粉末直径。通过数字模拟可以根据需要的尺寸设计粉末直径，这是我们开发的各种类型的送粉头，适应于各种各样的应用场景。

送粉主要是三种方式：一个是旁轴（音），同轴，还就一个是管式。管式的优点是可以全方位在需要3D打印的时候，但是尺寸相对比较大一些，而中间环形的可以做到小于8.6毫米。还有国际上首次实现同轴，效率可以进一步提高。

超高速激光熔覆出来以后对于涂层材料有新的要求，目前主要是进口的赫格纳斯的粉末用得比较多，国产在性能来说还是远远不够的。比如用超高速熔覆做的431粉末，国产只能做到5级，进口可以做到7级中性盐雾腐蚀。

下来介绍在3D打印领域的应用。

激光3D打印特别是金属的增材方式大概是两种，一种是铺粉，一种是送粉，这两种方式各有各的优缺点，比如铺粉式的优点就是用的粉末比较细一点，所以精度和表面质量会高一些，但是固定舱室体积首先，一般是小于500个立方厘米。送粉式的3D打印这个尺寸就不受限制，当然我说的是普通激光熔覆的3D打印，用的粉末比较粗，因此表面的精度稍微差一些。这个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这么大3.5公斤的用了110个小时，每个小时是70个立方厘米，相对于铺粉式顶多是20个立方厘米每小时，已经提高好几倍。

这是我们在做的973的国家重点研发项目，这是断裂疲劳强度的试样，试样强度是72×14×14，这样需要16个小时，因为功率比较低只用到200瓦，所以每个小时只有0.9个立方厘米，和刚才的70个立方厘米相比差了好几倍。

如果是超高速的激光熔覆和普通的激光熔覆3D打印相比，当然从粉末尺寸来说它和铺粉式的超高速是一样的用到15-53微米，扫描速度普通的3D打印是5-10个毫米每秒，但是超高速激光3D打印可以到几百个毫米每秒，这样打印成本就会下降。

基于送粉式的高速激光熔覆，它在3D打印中的应用和发展方向需要通过闭环控制，通过控温、控形才能控制温度，控温特别是熔池温度，基体温度也非常重要，另外是控形主要是控制成形精度和表面粗糙度，这样才能高效、低成本的打印出来近尽成形的打印体。

现在也有人做这方面的工作，通过在3D打印过程中加入温度控制的监控，通过测量和闭环反馈控制成形过程，控制和不控制可以看到右边打印体成形结果会有很大差别。

超高速激光熔覆除了在3D打印行业的应用以外，它在其他工业应用领域也非常有前景。

主要应用领域第一个就是矿山机械、液压支架和不锈钢立柱等等，现在需要替代电路可以用超高速激光熔覆，这是我们做液压支架的修复。第二种就是冶金、钢铁行业，比如替代超音速火焰喷涂连铸结晶管。第三种就是水轮机、汽轮机叶片、抗腐蚀、耐磨。第四个是石油、化工需要防腐比如扶正块等等。第五个像电厂锅炉、垃圾焚烧炉的发热管需要高温耐腐蚀抗氧化，应用超高速激光熔覆效果也非常好。还有在导电耐磨涂层以及钛、钛合金耐磨防腐，还有氧化物陶瓷的构筑层。

结论就不说了，后面主要介绍西安交通大学李长久这个团队和芜湖繁昌舍达激光公司有一个创业团队，这个创业团队在2019年6月成立。舍达激光科技有限公司的使命就是为客户成功创造价值，为绿色地球贡献智慧。主要的行业领域冶金、能源、有色、造纸、航空、电子。应用技术主要是激光熔覆，典型产品比如垃圾焚烧热管，还有拉闸轴套、冷轧用的沉没辊，还也导电辊。

谢谢各位领导和专家。

西安交通大学的3d打印科研实力就是强啊