永年激光：1米超大平面型和抬升式桌面型3D金屬打印SLM設(shè)備取得雙突破

即將過去的2020年是極不平凡的一年，在新冠肺炎疫情沖擊下，全球經(jīng)濟(jì)社會的不確定性、不穩(wěn)定性增加，給我國經(jīng)濟(jì)社會帶來了巨大沖擊。面對危機(jī)，永年公司全體員工在原清華大學(xué)教授顏永年為領(lǐng)軍人物的帶領(lǐng)下，不怕腳下艱難，只為心中夢想，向上突破挑戰(zhàn)，向下接地氣，頂天立地，攻堅克難，勇攀科技高峰，勇闖3D打印新天地。

△清華大學(xué)教授顏永年

向上突破挑戰(zhàn)，首創(chuàng)超大型激光3D金屬打印SLM設(shè)備

增材制造（也稱為3D打�。┘夹g(shù)集物理、化學(xué)、光學(xué)、機(jī)電、材料、控制、信息等多學(xué)科于一體，已列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。過去30年全球3D打印市場年平均增長率30%，2019年總收入達(dá)到120億美元。在全球產(chǎn)值超過10億美元的制造企業(yè)100%有3D打印技術(shù)部門和3D打印技術(shù)應(yīng)用。如波音在美國建立20多個3D打印中心或工廠，2017年首個3D打印零件獲得FAA取證，超過600000個3D打印零件在民用航空器上服役。GE公司采用3D金屬打印技術(shù)制造LEAP發(fā)動機(jī)燃料噴嘴和GE9X發(fā)動機(jī)的渦輪葉片等7大類304個零件，布局新一代航空發(fā)動機(jī)制高點(diǎn)。近年來，3D打印發(fā)展迅速，在航空航天等高精尖領(lǐng)域不斷開拓創(chuàng)新，將傳統(tǒng)加工與智能化技術(shù)融為一體，將會為這些行業(yè)帶來深遠(yuǎn)影響和重大變革。

輕量化結(jié)構(gòu)，特別是大型輕量化結(jié)構(gòu)是航天、航空、輕量化汽車、輕量化高鐵的重要需求之一，隨著航空航天等領(lǐng)域的急速發(fā)展，大型化及超大型化SLM工藝發(fā)展提到了日程，現(xiàn)行SLM工藝的不足日益顯現(xiàn)。大型和超大型的SLM設(shè)備不是小型設(shè)備的簡單尺寸放大，面臨的技術(shù)難關(guān)很多，比如：多激光束協(xié)同描掃，拼接和協(xié)同難度增大；風(fēng)場控制、過濾、送粉、清粉等難度均增大；隨成形高度的增加，重型活塞縱向寸動（如負(fù)荷達(dá)10 噸，20~80μm精確位移，重復(fù)4萬次），難度很大。尤其是所需研發(fā)資金巨大，在國內(nèi)外也是重大技術(shù)挑戰(zhàn)，因此，研發(fā)風(fēng)險極大。

高科技和重大技術(shù)裝備是買不來、討不來，等不來的。不創(chuàng)新發(fā)展是等死，創(chuàng)新失敗是找死。南極熊了解到，面對挑戰(zhàn)，全體永年人堅定信心、銳意改革創(chuàng)新，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，發(fā)揮團(tuán)隊精神，克服無數(shù)困難，熬過無數(shù)夜晚，一串串?dāng)?shù)據(jù)、一項項改進(jìn)、一次次突破，終于在世界上首先研發(fā)成功——掃描面積達(dá)1000mm，4激光器、3工位、超大型、高精度SLM先進(jìn)設(shè)備，并且成功中標(biāo)國內(nèi)重大技術(shù)裝備合同單臺標(biāo)的達(dá)2000萬元。充分彰顯永年激光積極面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，主動對接國家重大技術(shù)需求，突出“硬核”科技，勇于攻堅克難，實(shí)現(xiàn)在逆境中突破和反轉(zhuǎn)。

YLM-1000設(shè)備聚焦航空發(fā)動機(jī)等高端制造領(lǐng)域的重大需求，滿足航空發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)、醫(yī)療器械、燃料電池等復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)件成形制造的需要，為國內(nèi)首臺生產(chǎn)型超大掃描面積的增材制造SLM工藝之設(shè)備，在國內(nèi)增材制造領(lǐng)域具有重大意義和引領(lǐng)作用。
1、多激光束4~16束（4激光束高功率1000~5000W）、3工位（成形和清粉分離）、協(xié)同掃描和精準(zhǔn)配合，實(shí)現(xiàn)300小時連續(xù)作業(yè)，提高成形速度。
2、超大型激光熔化成形能力(Φ1000*800mm3)是制造航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、衛(wèi)星、火箭等關(guān)鍵零部件的重要利器。
3、自主研發(fā)的高精度、重載10噸的垂直驅(qū)動系統(tǒng)，每次垂直向下位移的距離為20~80μm，精度5μm（0.005mm），重復(fù)2萬次不得有累積誤差。

△YLM-1000打印的直徑800mm（兩個零件中尺寸略小的）的金屬件

△YLM-1000打印的直徑860mm的金屬件視頻，南極熊拍攝

向下接地氣，工于心、匠于行，首創(chuàng)抬升式桌面型3D金屬打印機(jī)

我國各工業(yè)、科研和教學(xué)領(lǐng)域急需桌面型的大成形體積、可變粉體、高精度的3D金屬打印設(shè)備。所謂3D金屬打印桌面機(jī)，是指設(shè)計精巧，結(jié)構(gòu)緊湊、可變成形粉體、精度好、成形效率高而具有足夠大的掃描成形空間大的微小型設(shè)備。其設(shè)計和制造難度高，須有長期從事3D金屬打印設(shè)備生產(chǎn)和使用經(jīng)驗的團(tuán)隊來完成。

然而目前，國內(nèi)外的桌面型和小型金屬成形機(jī)，或成形體積太小（50x50x50mm）、或機(jī)器體積太大、或成形粉體不可變，或精度有待提高。江蘇永年激光成形技術(shù)有限公司在積近10年在選區(qū)激光熔化（SLM）開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用該公司的多項國家專利，完成桌面型金屬成形機(jī)的開發(fā)（成形尺寸160x160x200mm ）。

新型桌面機(jī)由成形主機(jī)、過濾器、控制柜和冷水機(jī)組成，如圖。

  

△YLM-160桌面金屬3D打印系統(tǒng)

桌面型3D金屬打印設(shè)備絕不是低端產(chǎn)品的代名詞，采用了永年激光的國家發(fā)明專利“型-形技術(shù)”，即M/S——Model/Shape技術(shù),完成從SLM到SLM-M/S的技術(shù)提升，經(jīng)過大量的卓越的開發(fā)工作，順利完成我國第一個超大成形粉體的金屬桌面機(jī)的生產(chǎn)。

首臺（套）抬升式桌面型3D金屬打印機(jī)，摒棄傳統(tǒng)的SLM設(shè)備的成形缸系統(tǒng)，有效地降低用戶的使用成本，可廣泛地應(yīng)用教學(xué)、科研和工業(yè)等各個領(lǐng)域。

工業(yè)領(lǐng)域：注塑模和吹塑模小型插件等，工業(yè)用金屬結(jié)構(gòu)件，其成形空間應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50mm立方，應(yīng)達(dá)到160x160x200mm 的水平；
醫(yī)療器械：體內(nèi)外假肢和關(guān)節(jié)、齒科義齒等；
科研領(lǐng)域：材料研究需小型可變粉體的3D金屬打印設(shè)備，以節(jié)省寶貴的測試金屬粉末；由于實(shí)驗室面積的限制，研究領(lǐng)域更傾向小型機(jī)或桌面機(jī)；
教學(xué)領(lǐng)域：高等學(xué)校的實(shí)訓(xùn)、技師和技工培訓(xùn)和競技大賽等對桌面機(jī)的需求是很迫切的。

△YLM-160桌面金屬系統(tǒng)打印的鋁合金光柵

△YLM-160桌面金屬系統(tǒng)打印的鋁合金光柵視頻，南極熊拍攝

堅持自主創(chuàng)新，鍛造企業(yè)核心競爭力

SLM: Selective laser melting（選擇性激光熔化）是3D金屬打印的一種主要技術(shù)途徑。這項技術(shù)的工作原理是選用激光作為能量源，按照三維CAD 切片模型中規(guī)劃好的路徑在金屬粉末床層進(jìn)行逐層掃描（20μm~80μm厚的金屬粉末微層），掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固從而達(dá)到冶金結(jié)合的效果，然后逐層累積成型出三維實(shí)體，最終獲得模型所設(shè)計的金屬零件。SLM技術(shù)克服了傳統(tǒng)技術(shù)制造具有復(fù)雜形狀的金屬零件帶來的困擾，它能直接成形出近乎全致密且力學(xué)性能良好的金屬零件。

因此，成形缸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)微粉頂層制造及數(shù)萬微粉層的精密疊加，保證SLM工藝的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，國內(nèi)外主流設(shè)備商普遍采用成形缸系統(tǒng)在SLS和SLM工藝中應(yīng)用了30多年，對中小型的成型件簡易可行，數(shù)十年中，因成形件不大，矛盾不大，但隨作大型和超大型SLM的出現(xiàn)，其弊端日益顯現(xiàn)，比如：缸筒的約束剛性過大，造成“大缸干小活”，且不易取件；又如：活塞與缸筒是導(dǎo)向付的關(guān)系，容易引發(fā)“卡缸”等問題。最突出的問題是傳統(tǒng)SLM技術(shù)的粉材浪費(fèi)及其其嚴(yán)重，現(xiàn)有成形缸-活塞SLM技術(shù)，只有不到 20%被熔化轉(zhuǎn)變成零件；未熔化的粉末雖然可以被回收處理后再使用，但因氧化和流動性下降等原因，復(fù)用 5-10 次后，粉末不能再用，必須更換新粉末；粉末價格高，是同等重量棒材價格的 10-20 倍。從典型的3D打印產(chǎn)品的成本分析，原材料占20-30%，設(shè)備折舊占40-50%，由此可見，設(shè)備和粉末的國產(chǎn)化、節(jié)約粉末和減低使用成本是3D打印應(yīng)用的瓶頸之一。

用戶的痛點(diǎn)，就是改進(jìn)和創(chuàng)新的目標(biāo)。永年激光在近10年SLM設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，不走仿制老路，銳意進(jìn)取、勇于創(chuàng)新，錨定高質(zhì)量發(fā)展，形成了一批最新技術(shù)成果，并新增多項國家發(fā)明專利，通過更換“型板”、“形臺”和“伸縮筒”，即可更換粉體，實(shí)現(xiàn)“大件大粉體”，“小件小粉體”，提高了成形效率，節(jié)省寶貴的粉末。同時，無成形缸的限制，可以從形板上直接取出成形件，大大簡化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，取件十分方便，特別適合超大型3D金屬打印重型設(shè)備。

此外，永年公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成形控制軟件和數(shù)據(jù)處理分層軟件，特別適合具有保密資質(zhì)的軍工企業(yè)。其特點(diǎn)如下：

1、根據(jù)模型幾何形狀自動排版，排除零件干涉。
2、可自動生成模型支撐，支撐參數(shù)可由用戶自定義，支撐參數(shù)兼顧可靠性和后續(xù)易去除性。用戶還可根據(jù)自身需求任意添加或刪減支撐。
3、根據(jù)保護(hù)氣體的流向排列掃描次序，零件掃描順序可以與保護(hù)氣流的方向進(jìn)行匹配。
4、Z方向可分段設(shè)置層厚和激光工藝參數(shù)，且同一成形任務(wù)中，可在成形方向分段設(shè)置不同層厚和工藝參數(shù)，助于工藝開發(fā)以及復(fù)合材料成形工藝的研究，提供了3D打印更廣闊的工藝成形空間，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。
5、模型標(biāo)記編號，層片數(shù)據(jù)的模型編號標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)成形時中止個別模型繼續(xù)打印。
6、隔層掃描，可選隔層掃描支撐數(shù)據(jù)，提升效率。
7、掃描策略可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇和設(shè)置，可采用分區(qū)填充策略（條形，塊狀），鄰層填充線夾角變換。
8、掃描路徑動畫模擬，方便查看具體路徑規(guī)劃效果。

補(bǔ)足短板、解決痛點(diǎn)，讓用戶敢用國產(chǎn)設(shè)備、會用國產(chǎn)設(shè)備、用好國產(chǎn)設(shè)備。

永年，既是品牌，更是信任和責(zé)任

面對不斷變化的國內(nèi)外環(huán)境，在國家部署實(shí)施制造強(qiáng)國的背景下，永年激光銳意持續(xù)創(chuàng)新，筑牢核心競爭力，以創(chuàng)新之鑰，破解發(fā)展難題。公司實(shí)施“創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展戰(zhàn)略”，分別與中國工程院吳澄院士、中國科學(xué)院葛昌純院士合作共建企業(yè)院士工作站和3D金屬打印科研創(chuàng)新平臺，曾先后與中科院電子學(xué)所、中科院寧波材料研究所、清華大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、昆明理工大學(xué)等科研院所建立了10個協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗室。公司擁有國家發(fā)明專利授權(quán)17項、實(shí)用新型專利授權(quán)10項，獲得軟件著作權(quán)4項，注冊商標(biāo)14項，參與起草地方標(biāo)準(zhǔn)2項，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項，管理體系認(rèn)證5項，CE產(chǎn)品認(rèn)證2項。2014年獲得第三屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽先進(jìn)制造行業(yè)第二名，2015年獲得江蘇省高新技術(shù)企業(yè)稱號，2016年獲得江蘇省重大技術(shù)裝備首臺套和“專、精、特”產(chǎn)品認(rèn)證，2017年獲得江蘇機(jī)械科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，2018年獲得江蘇省最具成長性高科技企業(yè)100強(qiáng)和中國3D打印行業(yè)最具投資價值20強(qiáng)，2020年獲得中國宿遷科技大賽一等獎和江蘇省中小企業(yè)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽三等獎。

永年激光運(yùn)用市場化機(jī)制打通科技成果轉(zhuǎn)化最后一公里，完成從桌面型到小中大型、再到超大型的金屬成形系列化設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，跑出企業(yè)發(fā)展的加速度，實(shí)現(xiàn)銷售收入比2019年增長50%，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

俗話說：沒有金剛鉆，不攬瓷器活；栽下梧桐樹，引得鳳凰來。中國一重、中航重機(jī)、航天科工等央企領(lǐng)導(dǎo)紛紛前來永年公司調(diào)研、考察和交流。已是耄耋之年的顏教授堅定地對大家說，需要定制化設(shè)備找永年，需要產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)找永年。永年，既是品牌，更是信任和責(zé)任。

未來，永年激光將著力打造基于5G網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)流程可察、風(fēng)險可測、質(zhì)量可控的智能化增材制造新模式，在科技報國和構(gòu)建“雙循環(huán)”的新征程上再創(chuàng)輝煌。

持續(xù)創(chuàng)新，走在行業(yè)前沿