華南理工大學楊永強：基于機器人的等離子/激光增減材制造技術進展

2019年6月28日，激光制造與再制造技術及應用研討會 在北京興基鉑爾曼酒店召開�，F(xiàn)場專業(yè)人士眾多，南極熊3D打印網(wǎng)是本次研討會的合作媒體。


下面是現(xiàn)場速記，或許有些不完美之處，但總體上干貨信息量很大，值得閱讀。

楊永強老師，他來自華南理工大學，也是博士生導師，合作研究院的院長，也是長期從事3D打印這一塊的相關研究，二三十年做這一塊。

主持人 李懷學：好，尊敬的各位領導老師，各位專家，各位同行，今天非常榮幸組織這個會。我是來自航空制造技術研究院李懷學。下面，因為上面的報告王總從航空及結(jié)構(gòu)設計制作，包括整個需求這一塊跟增材制造，包括其他的相關先進制造技術結(jié)合這一塊。鐘老師提的是前沿性的技術，把超快激光微納結(jié)構(gòu)制造結(jié)合到一起，具有非常獨特的性能，也是未來非常前沿的技術，包括前沿應用這一塊，是非常精彩的報告。下面邀請楊永強老師，他來自華南理工大學，也是博士生導師，合作研究院的院長，也是長期從事3D打印這一塊的相關研究，二三十年做這一塊。大家以熱烈的掌聲歡迎楊老師給我們作報告。

    楊永強：好，謝謝李懷學老師的介紹。今天很榮幸來參加激光制造和再制造的會議，其實我本來也是做激光的，今天有很多老朋友，包括鐘敏霖我們以前是在天津的同事，大家都發(fā)展得比較好。
    其實今天的報告，我平常是做3D打印報告，一般都是講激光選區(qū)熔化和鈦應用方面的東西，今天我等于算跨了界，也不算跨了界，我講的是現(xiàn)在最熱門的幾個話題：
    一個是增減材�，F(xiàn)在說增材制造、3D打印，發(fā)展到今天，其實慢慢都面臨著工程化的應用。面臨工程化的應用，都面臨著很多具體要求，精度、表面質(zhì)量那些東西，僅僅是增材制造已經(jīng)達不到了。
    第二，還有一點是機器人，因為機器人是和我們現(xiàn)在3D打印包括激光同等水平的一個熱門話題，現(xiàn)在也專門有這方面的一個課題。
    第三，這里邊我又拋出來一個等離子，今天跟我們激光的主題不完全一致，但是它也是屬于高能束的一種。
    現(xiàn)在我們做增材制造，現(xiàn)在主要主流的是激光和電子束，其實大家不要忘了，我們高能束里面講三束，除了激光、電子束以外，還有等離子體。等離子體作為高能術的代表，其實它應用過去遠比激光要廣泛得多，切割，包括表面的處理，董老師這邊以前也做過很多等離子的東西。包括再制造，現(xiàn)在切割發(fā)展得非�？欤�但是要主流還是等離子占的份額比較大，所以等離子作為一種非常有用的高能術，除了過去做焊接、表面處理、切割以外，最近也引入到我們說增材制造里面來。為什么，因為以前它也可以做激光做的事情，電子制作，都可以做，只不過它的束棒更大，做出來的東西更粗糙，不加工是很難使用的，但是如果將來減材，等離子競爭也非常強，因為它的效率非常高，后面我們會跟大家介紹。
    由于剛才講了這個話題，增減材是現(xiàn)在非常熱門的一個發(fā)展的方向，其實全國的情況，國家重點研發(fā)計劃我也知道有這方面的支持項目，廣東省也支持了好多這樣的項目，不是一個，很多這樣的項目，我們也拿到過，包括我們現(xiàn)在也在做相關的東西。如果用等離子做增材，包括跟減材復合，它更注重大的零件，包括現(xiàn)場修復。今天董老師出了一個題，激光制造再制造，我把重點放在再制造這一塊，等離子做現(xiàn)場修復有的時候比及更靈活一點，尤其是選擇一些比較大的，包括我們在航空，包括像核電和其他的一些比較大的零部件這一塊的應用，可能會更好。
    機器人來做增減材有什么優(yōu)勢呢？機器人是一個移動的平臺，而且它的整個的活動范圍、臂長可以很大，所以現(xiàn)在我們開發(fā)的這套機器人的系統(tǒng)有單機器人、雙機器人的。單機器人的這個系統(tǒng)，其實我們就和傳統(tǒng)的機器人的加工很接近了，就是我機器人像換了個刀具一樣，我換了一把等離子槍過來進行增材。我也換了一把激光，為什么叫等離子激光，我也可以用激光，把它騰過來。我也可以同時再抓一把，所以它是一種減材，再變成加工處理方面比較方便。
    兩臺機器人如果在實驗室里面很方便，我現(xiàn)在實驗室有兩臺機器人，一臺機器人做增材，一臺機器人做減材，靈活度要求不一樣，因此是非常好的一種可以解決我們說現(xiàn)場修復大型零部件，尤其像大的零部件，包括幾米甚至更大的零部件用這種，其實比數(shù)控系統(tǒng)更方便一些，當然它本身也存在它的一些問題。
    我們現(xiàn)在搭建的這套系統(tǒng)是六軸機器人，兩臺六軸機器人，加上兩個機器，一共14個軸，所以它起來實際上控制的因素比較多。這個機器人，刀庫，除了刀具以外，等離子和激光，可以送粉和送絲，因此它可以說是適用性比較寬，包括我們專門研發(fā)的等離子的熔復投（音），包括激光的熔復投，有一些相關的東西。
    機器人系統(tǒng)，我們說修復也好，或者它做大零部件增材制造也好，還有一個就是監(jiān)測的問題，因為現(xiàn)在在增材制造過程中有沒有缺陷，有什么問題，有一個在線的監(jiān)測和離線監(jiān)測，我們也做了工作，就是有一些在線的要監(jiān)測的平臺，還有回溯的一些功能。
    因此，這套系統(tǒng)我們把搭建的機器人，單機器人和雙機器人系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)是根據(jù)你的需要，你的預算可以選擇兩種不同的方式，加上在線監(jiān)測質(zhì)量回溯，以及控形控細方面研究以后，我們在很多工程院進行應用。我們前期已經(jīng)做了一些工作，包括送絲送粉的，有等離子、激光的，都做了。同時機器人拿這個進行銑削，最后質(zhì)量也是不錯。材料，目前我們涉及到炭鋼、不銹鋼、鋁合金、高溫合金，主要是粉材，也有部分絲材做這些工作。這是我們做的一些機理方面的研究。
    應用方面，我們這次也承擔了一個項目，主要是做輪胎模具，這個模具很大，可以看一下下面的這張照片，它直徑大概5米以上，它的結(jié)構(gòu)也不是特別復雜，但是它也是凸起的結(jié)構(gòu)。過去銑削這個東西相對來講工作量比較大，我們就是用這種等離子堆積的辦法給它做結(jié)構(gòu)，然后再通過原味（音）銑削。更重要的技術是磨損和損害以后的修復，還有一些航空和法蘭盤這些不同的零件，核電里面大的零件，大的很大，基本上我們沒有辦法移動它，只有把機器人弄過去，把它損壞的地方銑削，銑一塊下來，再堆上去，再銑削，這樣去做現(xiàn)場修復，這樣的東西。
    下面我介紹一下我們?nèi)A南理工大學團隊，在這方面的一些工作的進展。我們這個團隊是依托了國家金屬材料漸進成型工程技術研究中心，我們也是這個中心的一個團隊，當然，我們也有一個廣東省金屬增材制造的研究中心。我本人在這方面做了一些工作，我的團隊主要是有幾個，大概五位教師，還有研究生。我們研究生比較多，博士一年是一個，但是像今年有兩個，我們是有工程博士，碩士我們一般大概2到4個，這兩年都到4個。另外還有非全日制的專碩，也是考上來的，現(xiàn)在學生比較多，但是學生就是還是流動性比較大，我們也有一支專業(yè)的研發(fā)隊伍，所以在工程化這一塊，我們還是有比較多的人員，包括這個項目，除了我們單位以外，還有其他單位我們來做這個項目。
    我其實主要是從2002年開始，主要是做激光熔化這方面的東西，我們2004年就做了國內(nèi)第一臺金屬鋪粉的設備，后來陸續(xù)又研發(fā)了很多型號的設備，包括專利現(xiàn)在大概300多項，授權(quán)的發(fā)明專利也有49項，所以現(xiàn)在這個方面的知識產(chǎn)權(quán)還是比較多的，我們也在鋪粉領域拿過一些所謂的獎，就是做過一些工作，我們現(xiàn)在在廣州做專門產(chǎn)業(yè)化，像最小的50機，100、300的機器現(xiàn)在也在銷售，主要用在醫(yī)學領域。有的像增減材復合機器，（英文）S的這一系列，它是在鋪粉的增材過程中也加了銑削，我們也有大的設備來做。所以我們這一塊做比較多。
    還有一個比較有特色的就是多材料的金屬打印，主要它從上面可能有四種材料，可以每一層鋪不同的材料，這里可以做什么？在高的方面，我們可以做不同的材料，這個其實是很有用的一個東西，就是包括三明治的結(jié)構(gòu)，或者是其他結(jié)構(gòu)，我們也做了一些東西。像這樣下面是鋼，上面是銅，再上面可以用另外的材料，可以用不同的材料。
    甚至我們現(xiàn)在前期的一個項目，在一個平面上不同的位置，也可以呈現(xiàn)不同的材料，這是前邊包括梯度結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，也可以有材料的變化。應用方面，醫(yī)學主要在口腔科方面做過很多工作。
    其實這次來北京，我的安排也很緊，前天參加了一個藥監(jiān)局的關于核能修復體植入體的一個項目申請醫(yī)療器械許可證的評審，因為這個領域里邊，我看有很多成果進入到臨床，這方面應該是不錯的，我們也在外科做過很多工作，今天主題不是講這些東西，我就不講了。包括專利方面，其實我們在3D打印植入這一塊，華南理工大學的專利是第三方統(tǒng)計，我們在里面排在第一位。因為我們做得比較早，我們2004年開始做這個機器以后，當時想找應用，在模具里面，工業(yè)上面我們沒有好的條件，能夠涵蓋應用，其實我們主要在醫(yī)學方面用。醫(yī)學方面，我們就跟很多醫(yī)院基本上口腔、外科，甚至眼科都做過很多工作，所以我們也申請了很多的專利。
    包括這個增減材這一塊，核心零部件的研發(fā)，主要是一個等離子的熔復投（音），這個等離子的熔復投我們前期跟烏克蘭有團隊也合作，他們是做等離子方面非常厲害，這一塊也做了很多基礎的研究，包括等離子的設計優(yōu)化以及模擬，這里簡單過一下，因為等離子這一塊做的物理方面的東西，我也不是很懂，我們團隊做了很多這方面的工作。它也是一個同軸送粉的東西，但是應該說這方面的效果還是不錯的，尤其是我們把送粉的熔復投、等離子投應用在增材制造這一塊，應該說效果還是非常好的，這是不同的條件下的一個仿真研究。
    除了等離子頭以外，現(xiàn)在做等離子頭非常少，一般只能到做焊接的廠家，基本他們都是仿制國外，所以研究也比較少。我們激光的噴嘴這一塊我們也做了一些工作，包括像這種三孔的，現(xiàn)在在市場上銷售的，好多人都是紡織德國的產(chǎn)品，三孔的這樣的噴嘴，我們其實很早就做過，2009年的時候就做過三孔的噴嘴，一體化�，F(xiàn)在噴嘴都是機加工，我們把它一體化設計，用三維打印方法做這個噴嘴，包括它的中間激光的通道、粉末的通道、保護氣體的通道，以及里面所有空間的地方，我都給它變成了水冷的通道。
    現(xiàn)在這個噴嘴，在座的有沒有人知道？它都是用銅做，我們可以用不銹鋼做，為什么呢？因為銅主要是導熱性好，我們不銹鋼做，怕它導熱性不好，因為不銹鋼做了以后，把這個壁做得非常薄，里面都通上水，所以效果非常好。這是我們曾經(jīng)做過的。
    我們曾經(jīng)也賣過幾套這樣的噴嘴，2010年左右的時候。這是我們曾經(jīng)做過的六孔的，現(xiàn)在它一般在市面上賣的都是三孔或者四孔，我們也做過六孔的，六孔是我曾經(jīng)在德國的時候做的工作�，F(xiàn)在我們又重新把它根據(jù)現(xiàn)在用的激光，過去激光一般都是兩千瓦、三千瓦，現(xiàn)在可能在六千瓦甚至一萬瓦，甚至我們現(xiàn)在往小的上面做，幾百瓦的，整個重新設計噴嘴。左邊是精加工的設計圖，右邊是我們設計的，現(xiàn)在3D打印的。這個噴嘴是3D打印做出來的，所以應該也是不錯的效果，這是看起來比較年輕的，2002年的時候我就做這個噴嘴，它是6個孔朝上的噴嘴。所以這一塊我們也有比較好的基礎，因此在等離子增減材這一塊，我們開始做了這方面的研究工作，也做了兩套系統(tǒng)，這是現(xiàn)在把等離子和激光集成在一個系統(tǒng)上面。
    我們可以看到，尤其等離子這個熔復投做得非常好，基本上它的粉末利用率100%，因為它這個設計原理的原因，粉末是熔化了以后才噴出來的，所以基本上沒有多余的粉末出來。如果是激光，它一般多多少少會有粉末散出來，就是沒有熔化的粉末，這個做得非常好。最右邊像換了一把刀，這去年的時候我們也做了一次鑒定，也是廣東省的重點研發(fā)計劃，照著國家的重點研發(fā)計劃的模式，在座的也有幾位專家參加了我們的項目評審，我也是非常感謝。但是我們講，我們在這個方面的的確確做了很多的基礎工作，雖然我是這么多年來一直做這個鋪粉的激光熔化，但是在等離子這一塊，我們2010年開始，包括它一些基礎的東西，我們也在做，一直在積累。所以在這個方面，我覺得還是有一點特色，這是我們的兩個機器人的系統(tǒng)，這是包括可以切換，激光熔復（音）的噴頭，包括等離子的情況，這是一個方面。
    最大的一個特點，它的效率非常高，我沒有算過激光的，你看它這個大概高度，我們有3萬毫米，大概是高度67毫米，我們這一塊用的50安的電流，如果用到300安相對更好，對等離子有一些本身的特色，這是等離子做的，可以看到它的粉末就沒有四濺，所以周邊也是比較干凈的，這是做的各種形狀的。
    這是我們用激光做的，我們做了一些醫(yī)療的，激光的結(jié)構(gòu)相對等離子要更精細一些，但是它跟精加工（音）相比還是差了一些。其實銑削的問題，包括執(zhí)行精度，其實它也沒要求，都是可以達到的，只不過我們機器人，現(xiàn)在很多情況，最大的一個是機器人的穩(wěn)定性，那個機器手是不是能穩(wěn)定在這里，做一個平面。現(xiàn)在我們選擇比較大的機器人，做的是達到五六十微米這樣的精度，還有十個微米以下，五微米到十微米還是做得比較好。整個系統(tǒng)要優(yōu)化。
    最后總結(jié)一下，因為機器人包括送粉送絲，是我們近幾年來的趨勢，它是開展的方向。是適合大零部件增減材的制造修復，它其實在現(xiàn)場還有移動的方面，應該涉及到一種方法。另外等離子跟激光比起來，它的效率會更高一些，尤其是做一些東西，等離子會更好，激光相對來講可以做一些更精細的結(jié)構(gòu)，效率是中等的水平。
    這西邊銑削主要是由機器人加高速電流，這樣可以算成銑，這方面機器人會給我們提供一個很好的平臺。但是和數(shù)控平臺，現(xiàn)在磚瓦級，我們也有一套，它的精度稍微差了一點點，但是靈活性性價比很高，它有上千萬，我覺得它做這個方面，也一直在做，有好多的生態(tài)系統(tǒng)，我估計受到了干擾（音），但是機器人這套系統(tǒng)配套很好，它不像鐘老師說得大，我們也是大，但是不漂亮，但是有用。好，介紹到這里，謝謝大家。


提問：楊老師，報告非常精彩。我們這一塊也一直做的是激光的增材，等離子增材我們也是從2001年開始，搖號做，我們也是在大的方向做。從等離子到焊接，到后面的3D打印，我們現(xiàn)在有粉和絲，你這個重點做的是送絲還是送粉？
    楊永強：送粉。
    提問：這兩個地方，一個是送粉，一個是送絲，因為送粉它跟激光來比，它這個質(zhì)量除了效率的影響，它跟工藝的靈活性方面，您能不能介紹一下，因為我們也是在做這方面，我一直在想能不能把等離子跟激光復合起來，為什么？因為激光精度高，但是效率相對來說低；等離子價格相對來說便宜，但是它的效率很高。關于這方面您有一些什么前瞻性的思考？給我介紹一下。
    楊永強：謝謝董老師，其實董老師才是這方面的專家，我們是最近幾年做的工作。等離子前面我們做的的確是效率高，但是表面質(zhì)量還有它的寬度要比激光要差很多，它一個是寬度比較寬，我們做到3萬毫米的寬度，就不能用大的電流，我們開發(fā)的是微幅。后面機器人做的電流，那個又不一樣了。如果說從效率上來講，等離子遠遠大于激光，這是肯定的。但是如果我們用大電流的等離子做這個寬度，其實有點像電積堆碳（音），一下20毫米、30毫米、40毫米都堆過去了，效果非常高，等離子可以做這樣的事情，越寬、粗，效率越高。但是精細的結(jié)構(gòu)這一塊，如果我需要的話，就可以用原位來保護它進行加工，這是一個增減材比較優(yōu)勢的地方，也可以是做完了以后的加工，但是從效率上遠遠大于激光，但是從結(jié)構(gòu)方面要靠它來彌補，這肯定。
    過去沒有人用等離子做，用微束做，跟激光差不多多少，但是把特色掩蓋了，因為微束了，電流小。但是激光還是貴，等離子相對便宜一些，但是如果從大的角度來講，這個大超過了激光做的，等離子會更有優(yōu)勢。時間關系，有什么問題下面跟楊老師請教，再一次熱烈的掌聲謝謝。


激光制造與再制造技術及應用研討會 介紹

會議以激光技術、增材制造及再制造相關光電技術為主題，針對航空航天交通領域高質(zhì)量復雜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈以及全壽命維護等迫切需求，開展面向增材制造及再制造的設計、材料、工藝及裝備、檢測以及標準規(guī)范等相關光電技術應用研討，提升增材制造及再制造技術的數(shù) 字化、智能化、高穩(wěn)定能力，驅(qū)動中國制造高質(zhì)量發(fā)展。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機遇。制造業(yè)是創(chuàng)新驅(qū)動的主戰(zhàn)場，推動制造業(yè)先進性發(fā)展，是扭轉(zhuǎn)制造業(yè)低質(zhì)低效、重塑產(chǎn)業(yè)競爭力，實現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換的關鍵所在。大力發(fā)展先進制造業(yè)，是加快制造強國建設步伐，加速推動經(jīng)濟發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴張向質(zhì)量和效益提升轉(zhuǎn)變的重要途徑，以實際行動貫徹落實黨的十九大精神的具體體現(xiàn)。

主辦單位：
中國光學工程學會
北京亦莊國際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國際激光技術產(chǎn)業(yè)及應用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術國家級重點實驗室
高能束流加工技術國家級重點實驗室
增材制造航空科技重點實驗室
高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點實驗室

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