【3D打印高端演讲】杨永强：精密金属激光选区熔化直接制造技术及应用

【导读】 6月下旬，世界3d打印大会在青岛举行。南极熊3D打印网也到了现场进行了大量的报道，详情请看南极熊报道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南极熊作为一个3d打印的专业媒体平台，一直致力于推动中国3D打印行业的发展。希望下面的一些内容对大家有所启发。

杨永强：各位专家、各位同仁，上午好。我给大家介绍的是精密金属激光选区熔化直接制造技术及应用（金属3D打印）。

刚才巩老师已经介绍了，我想介绍的也是集中在金属的激光选区熔化方面的一些工作。关于3D打印的概念，增材制造这个我不多说了，今天的这个主题就是3D打印。

作为金属的3D打印，它应该说是在所有的3D打印技术里面工业级的，或者说直接应用方面是一个未来发展的方向。通过关于这个3D打印市场的调研，可以看出来2012、2013年在工业、航空航天、医学的市场份额是不断增加的，这就说明它不只是做一个中间的模型，这是一个发展的趋势，而且发展速度是非常快的，这是它的一些情况。

接下来讲一下金属的3D打印工艺与装备。实际上我们说金属的3D打印是我们众多的3D打印技术里面的一种，而且相对于其他的技术来讲，它本身特点还是比较突出的，尤其我讲的激光选区熔化的技术，它本身的原理也是通过粉末，然后激光就会选择性地一区一区地扫描，一层层堆积起来的这么一个过程。

刚才巩老师提到的做金属零件无非那么几种方法，过去除了刚才提到的激光的熔覆的方式做沉积，还有一种是电子束，还有是激光烧结，除了在一些陶瓷材料上以外，其他的金属材料都不用了，都是把金属粉末熔化，下面我们主要从金属的熔化方面介绍一下。这个录像也是展示把激光铺好的粉末，按照输进来的图案的形状进行扫描，就是熔化扫描。这一层扫描完了以后，再把这个承载台下降一定的距离再铺第二层粉，这样逐层扫描以后就可以获得一个网格结构的或者实体结构的各种各样的零件。这个技术具有很大的先进性，不受空间几何形状的限制，尤其做一些复杂有内部结构的零件，这个结构应该说是未来3D打印是第三次工业革命，这是以前所做不了的。

华南理工大学应该说是比较早地进入到金属的3D打印的研发，包括设备，包括工艺材料，包括应用这方面。我本人从2012年接触到这个技术，2014年就跟北京隆源一起，把DiMetal-240做出来。2007年我们又做出了第二套样机280这套设备基本上都是不锈钢、钛合金都可以用它来做。2012年我们又开发出商业型的机型100。所以我们华南理工大学所在的位置应该说在系列金属级做的工作还是比较多的。

这是我们的280和100设备的一些具体参数，这是激光的功率有所改变的，这里面最大的差别是在成形区域，从170×170，从290×290都可以进行不同的市场配置。

这个是我们现在在这个展会上有一个展览，公司的名字叫信达雅，我们除了有100和280之外我们还有一些其他的研发500型的也在研发当中，很快就会出来样机，未来这个方面的技术会有一个系列的设备。

这个金属件的成形它的应用是非常广的，尤其是在轻量化。我们很多现在仿生的结构，像飞机或者一些其他的结构，我们不一定把它做得里面都是实心的，尤其在飞行器方面，达到足够的强度和性能要求方面，份量轻是一个最好的选择，这方面未来需求比较广泛。另外就是有一些结构，我们可以通过设计的方式打破它过去的这种传统加工的限制，可以做到一个最轻量化、结构最简单，但是它的功能，它的力学性能和其他的各个功能能实现的这样一种设计。这个在传统加工来讲不大好实现，用金属成形的方法就可以实现，这是国外做的一个零件。用传统制造，它的重量是比较重的，结构也比较复杂，用这种方式做比较轻，怎么去轻量化，达到它的功能要求。

怎么设计我们所谓的轻量化也有一些方法，我们可以用所谓的正向设计，构建一些基本的单元体，比如说我们用各种各样的数学方法去把它做成各种各样的单元体，按一定的体积分数去把它进行设计，达到不同的密度，都可以设计出来。这个未来的机器结构件设计的时候是一个很大的影响。

还有一个我们是一种逆向的设计，比方说从基于影象的设计，这个是我们的骨骼，它有一定的规律，我们会从中取出一定的单元体来，按照体积分数把它放大缩小，我们也可以获得不同比例的或者不同密度的内部结构，这应该说是在目前3D打印设计方面一个非常重要的发展趋势，就是这种基于影象的设计。

当然我们要突破这个设计，也就是在3D打印精度成形里面它尺寸的约束。这里面最大的问题是激光的光斑，以激光光斑来熔化的过程。你的精度和你的表面情况和这个光斑大小是有直接关系的，所以这个怎么突破它，包括一些极限的零件，我们的一些特征尺寸，这是我们一个放大的图，在很小的区域，100微米我们做出来的话在微观上它在表面上很复杂，怎么达到一定的尺寸精度和表面粗糙度要求，这也是很关键的。

这是0.1毫米，包括我们可以设计一些这样的测试的方法来看看不同的极限尺寸，从0.15到0.6毫米的钣金结构，还有它的一些柱状的结构，我们都可以获得一些极限的尺寸，这对我们后面的设计是有一个很大的关系。

还有一个是力量结构，我们知道很多内部结构它没办法的时候是要支撑的，金属是要支撑的。在不添加的情况下，我们可以做到什么样的角度，这对设计来讲是非常重要的，我们的设计人员必须要有这方面的意识和这方面的知识，知道我在制造的时候什么样的角度适合这个工业来做，我们在前面也做了很多基础的研究工作，包括这种极限的角度，在不同的材料来不同的摆放，对它成型的精度的影响。

这是我刚才提到的，我们用一些数学的模型，比如说数学里面的P结构、D结构和G结构。我们把这个结构放大或者缩小取出它的特征值来，我们就可以获得不同的数值。所以它可以做到很致密，也可以做到很轻量化，非常轻，比如说人的骨骼，它要求的强度并不高，现在我们用金属材料做这个植物体的话，实际上都是超强度的，但是它本身的重量是要重很多，如果说我们要达到它骨骼强度的要求，在重量上尽量轻化，我们这个模型就可以做。

另外在基础方面，很多人都问我一个问题，你做的这个金属的零件，它的强度是不是跟传统的铸造一样呢？这个我可以告诉大家，它是完全结合的，实际上是个焊接的结构。如果说它是不致密的，或者我们焊接里面有气孔，这是个不合格的产品。作为金属成形的基础必须要做到致密。但是我可以用改变一个策略，还有像刚才我讲的我改变设计的，就可以达到不同的致密度，我可以要求做一个零件，表层是致密的，密度可以有一定的疏松。

大家看到的这个是一个万向节，我们首先要设计出12个零件出来，然后把它组装起来，这是传统方法做的，没有办法回避。但是我们用3D打印怎么做呢？我在计算机里只要设计三个零件，在计算机里完成组装，这是很容易的。它有一些约束是不需要你去考虑的，直接就把它做出来，我们设计的时候就考虑到这个间隙怎么设计，怎么去达到在摆放的时候，在成形的时候用什么角度达到这里面的没有支撑，或者是比较少的支撑，我把这个东西拿下来之后，这个东西是完全可以活动的东西。

这是我们去年刚刚说明的一个算盘和铜钱的设计。大家知道算盘的珠子有很多，都是可以动的，这个设计也是非常有意思的，我们把它设计出来，也做出来了，在去年的新加坡的第一届3D打印大赛当中获得了特等奖，应该说在这方面还是做得比较突出的，尤其它的细节做得非常好，在新加坡获得了奖项。当时我们投入了朗阁，除了算盘和铜钱以外，我们把算盘和竹简也结合在了一起做了一个设计，这里面包括了一些文字，包括算盘的东西。设计完了以后，最后把它做出来，它是可以活动，可以弯曲，在国外也得到了比较高的评价。这个更大的是一个设计问题。当然这种设计也做了很多，包括这种球关节、三角环、旋转关节、滑块等等。

刚才巩老师也提到了激光熔覆，这是我们做的一个喷嘴的设计，至少有三个零件来设计，我们想把它完全一体化，就不用组装了。把这三个联结在一起直接制造出来，激光的通道，里面有水冷的通道，还有粉末的通道，这个设计应该说是比较好的，我们也做了一个喷嘴，这个喷嘴不用再去组装了，用这个东西做出来的东西完全可以实现，这是一个非常大的优势，应该是一个比较好的应用情景。

另外我们也做了一些其他的东西，这是一个建筑的模型，也可以打开，里边有很多网状结构，这也是今年我们去新加坡参赛，它是一个建筑的大赛，没拿奖，设计也是非常有意思的，它也是中间可以打开的，这是我们从别的地方拿到的一个数据，也是验证我们做的这个精度和它尺寸方面的一些优势。

其他方面我们有了设备以后做了很多工作，各种各样的，我们做了金属，它里面曲轴、散热器都非常的精细。

在航空航天里面，这是国外的一个照片，有很多这方面的需求，包括很多复杂的结构，包括像各种各样复杂的零部件，这个将来我想应该发展需求是非常多的，优势也是非常明显的。这些是汽车上的一些东西，非常适合轻量化。这是国外做的一些，在汽车方面的一些零部件的制造。

下面我说一下我们在医学方面的应用。华南理工大学有了这个设备以后，因为航空航天，我们跟巩老师，跟有些学校不一样，我们不是航天系统的，我们是管理院校，这个设备出来以后主要是在医学方面，包括牙科，包括骨科，下面这些图片都是我们曾经做过的项目和产品，而且这个在去年也获得了优秀的奖项。首先是牙科，这个目前在国内来说是应用比较好的一个技术了，在很多地方替代人工是一个非常好的趋势，也就像前面搞材料对话里面有人讲到的，本身这个有一些材料还是比较贵的，国外的设备也是比较贵的，所以我们的设备出来以后，可能会为这个技术的推动有一定影响。它的原理和过程，扫描到计算机里以后三维重建，然后经过3D打印把它打印出来，然后送到医生手里，医生给病人戴上，这项工艺应该说是很成熟了，问题就是你的设备还有这个材料是不是能被人接受，这是一个过程。

这是我们做的牙科的另外一个产品，革新华的舌色托槽。这个技术我们是把托槽放在牙齿的内测，是目前不能先进的方法。当然这个托槽的制造要求就很高了，每个人的每个牙齿都要定制一个托槽。定制出来以后，在外面你是看不到它戴着矫治的，目前已经拿到了产品的注册许可证，所以有的人讨论，3D打印医用产品拿证是不是很困难？也不一定，看是哪一类的，这是属于二类的，在省一级的就可以注册，现在正在医院进行推广。

这是膝环节的一个胫骨，这个我们也是用3D打印做的，而且致密度达到80%，是一个很大的突破，这个在国外目前没人做，这个工作应该是一个非常具有挑战性的工作，当然金属是我们的长项。过程是这样的，在计算机里我们首先去给它模拟，然后我根据切的多少去设计这个假体，这个设计出来是个定制化的、个性化的，根据人骨头的特点做的一个东西，应该说是非常适合的，这是未来的一个发展趋势，当然这个需要认证，现在我们在做一些其他的工作。

另外像我们前面也做过一些手术导板，我们不是植入到人体里面去，在做手术的时候打孔，打多深的角度，用模板来固定它，这个我们在做金属的，导板的东西大多数目前在做的是高分子材料或者塑料的，那金属有什么优势呢？第一应用高，第二比较容易消毒，高温消毒以后非常容易，比一般的塑料材料要有优势，如果把它做成产品的话还是需要认证的。

3D打印这个技术，尤其金属成形技术应该是3D打印的一个主流的方向，尤其工业级的。刚才听我讲到的内容，设计是非常关键的，所以我写了一本书，叫《制造改变设计》，讲的是3D打印直接制造技术，希望大家有兴趣可以关注一下。