【3D打印高端演講】楊永強(qiáng)：精密金屬激光選區(qū)熔化直接制造技術(shù)及應(yīng)用

【導(dǎo)讀】 6月下旬，世界3d打印大會(huì)在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的報(bào)道，詳情請(qǐng)看南極熊報(bào)道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南極熊作為一個(gè)3d打印的專(zhuān)業(yè)媒體平臺(tái)，一直致力于推動(dòng)中國(guó)3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內(nèi)容對(duì)大家有所啟發(fā)。

楊永強(qiáng)：各位專(zhuān)家、各位同仁，上午好。我給大家介紹的是精密金屬激光選區(qū)熔化直接制造技術(shù)及應(yīng)用（金屬3D打�。�。

剛才鞏老師已經(jīng)介紹了，我想介紹的也是集中在金屬的激光選區(qū)熔化方面的一些工作。關(guān)于3D打印的概念，增材制造這個(gè)我不多說(shuō)了，今天的這個(gè)主題就是3D打印。

作為金屬的3D打印，它應(yīng)該說(shuō)是在所有的3D打印技術(shù)里面工業(yè)級(jí)的，或者說(shuō)直接應(yīng)用方面是一個(gè)未來(lái)發(fā)展的方向。通過(guò)關(guān)于這個(gè)3D打印市場(chǎng)的調(diào)研，可以看出來(lái)2012、2013年在工業(yè)、航空航天、醫(yī)學(xué)的市場(chǎng)份額是不斷增加的，這就說(shuō)明它不只是做一個(gè)中間的模型，這是一個(gè)發(fā)展的趨勢(shì)，而且發(fā)展速度是非�？斓�，這是它的一些情況。

接下來(lái)講一下金屬的3D打印工藝與裝備。實(shí)際上我們說(shuō)金屬的3D打印是我們眾多的3D打印技術(shù)里面的一種，而且相對(duì)于其他的技術(shù)來(lái)講，它本身特點(diǎn)還是比較突出的，尤其我講的激光選區(qū)熔化的技術(shù)，它本身的原理也是通過(guò)粉末，然后激光就會(huì)選擇性地一區(qū)一區(qū)地掃描，一層層堆積起來(lái)的這么一個(gè)過(guò)程。

剛才鞏老師提到的做金屬零件無(wú)非那么幾種方法，過(guò)去除了剛才提到的激光的熔覆的方式做沉積，還有一種是電子束，還有是激光燒結(jié)，除了在一些陶瓷材料上以外，其他的金屬材料都不用了，都是把金屬粉末熔化，下面我們主要從金屬的熔化方面介紹一下。這個(gè)錄像也是展示把激光鋪好的粉末，按照輸進(jìn)來(lái)的圖案的形狀進(jìn)行掃描，就是熔化掃描。這一層掃描完了以后，再把這個(gè)承載臺(tái)下降一定的距離再鋪第二層粉，這樣逐層掃描以后就可以獲得一個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的或者實(shí)體結(jié)構(gòu)的各種各樣的零件。這個(gè)技術(shù)具有很大的先進(jìn)性，不受空間幾何形狀的限制，尤其做一些復(fù)雜有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，這個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該說(shuō)是未來(lái)3D打印是第三次工業(yè)革命，這是以前所做不了的。

華南理工大學(xué)應(yīng)該說(shuō)是比較早地進(jìn)入到金屬的3D打印的研發(fā)，包括設(shè)備，包括工藝材料，包括應(yīng)用這方面。我本人從2012年接觸到這個(gè)技術(shù)，2014年就跟北京隆源一起，把DiMetal-240做出來(lái)。2007年我們又做出了第二套樣機(jī)280這套設(shè)備基本上都是不銹鋼、鈦合金都可以用它來(lái)做。2012年我們又開(kāi)發(fā)出商業(yè)型的機(jī)型100。所以我們?nèi)A南理工大學(xué)所在的位置應(yīng)該說(shuō)在系列金屬級(jí)做的工作還是比較多的。

這是我們的280和100設(shè)備的一些具體參數(shù)，這是激光的功率有所改變的，這里面最大的差別是在成形區(qū)域，從170×170，從290×290都可以進(jìn)行不同的市場(chǎng)配置。

這個(gè)是我們現(xiàn)在在這個(gè)展會(huì)上有一個(gè)展覽，公司的名字叫信達(dá)雅，我們除了有100和280之外我們還有一些其他的研發(fā)500型的也在研發(fā)當(dāng)中，很快就會(huì)出來(lái)樣機(jī)，未來(lái)這個(gè)方面的技術(shù)會(huì)有一個(gè)系列的設(shè)備。

這個(gè)金屬件的成形它的應(yīng)用是非常廣的，尤其是在輕量化。我們很多現(xiàn)在仿生的結(jié)構(gòu)，像飛機(jī)或者一些其他的結(jié)構(gòu)，我們不一定把它做得里面都是實(shí)心的，尤其在飛行器方面，達(dá)到足夠的強(qiáng)度和性能要求方面，份量輕是一個(gè)最好的選擇，這方面未來(lái)需求比較廣泛。另外就是有一些結(jié)構(gòu)，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)的方式打破它過(guò)去的這種傳統(tǒng)加工的限制，可以做到一個(gè)最輕量化、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但是它的功能，它的力學(xué)性能和其他的各個(gè)功能能實(shí)現(xiàn)的這樣一種設(shè)計(jì)。這個(gè)在傳統(tǒng)加工來(lái)講不大好實(shí)現(xiàn)，用金屬成形的方法就可以實(shí)現(xiàn)，這是國(guó)外做的一個(gè)零件。用傳統(tǒng)制造，它的重量是比較重的，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，用這種方式做比較輕，怎么去輕量化，達(dá)到它的功能要求。

怎么設(shè)計(jì)我們所謂的輕量化也有一些方法，我們可以用所謂的正向設(shè)計(jì)，構(gòu)建一些基本的單元體，比如說(shuō)我們用各種各樣的數(shù)學(xué)方法去把它做成各種各樣的單元體，按一定的體積分?jǐn)?shù)去把它進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到不同的密度，都可以設(shè)計(jì)出來(lái)。這個(gè)未來(lái)的機(jī)器結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的時(shí)候是一個(gè)很大的影響。

還有一個(gè)我們是一種逆向的設(shè)計(jì)，比方說(shuō)從基于影象的設(shè)計(jì)，這個(gè)是我們的骨骼，它有一定的規(guī)律，我們會(huì)從中取出一定的單元體來(lái)，按照體積分?jǐn)?shù)把它放大縮小，我們也可以獲得不同比例的或者不同密度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這應(yīng)該說(shuō)是在目前3D打印設(shè)計(jì)方面一個(gè)非常重要的發(fā)展趨勢(shì)，就是這種基于影象的設(shè)計(jì)。

當(dāng)然我們要突破這個(gè)設(shè)計(jì)，也就是在3D打印精度成形里面它尺寸的約束。這里面最大的問(wèn)題是激光的光斑，以激光光斑來(lái)熔化的過(guò)程。你的精度和你的表面情況和這個(gè)光斑大小是有直接關(guān)系的，所以這個(gè)怎么突破它，包括一些極限的零件，我們的一些特征尺寸，這是我們一個(gè)放大的圖，在很小的區(qū)域，100微米我們做出來(lái)的話(huà)在微觀上它在表面上很復(fù)雜，怎么達(dá)到一定的尺寸精度和表面粗糙度要求，這也是很關(guān)鍵的。

這是0.1毫米，包括我們可以設(shè)計(jì)一些這樣的測(cè)試的方法來(lái)看看不同的極限尺寸，從0.15到0.6毫米的鈑金結(jié)構(gòu)，還有它的一些柱狀的結(jié)構(gòu)，我們都可以獲得一些極限的尺寸，這對(duì)我們后面的設(shè)計(jì)是有一個(gè)很大的關(guān)系。

還有一個(gè)是力量結(jié)構(gòu)，我們知道很多內(nèi)部結(jié)構(gòu)它沒(méi)辦法的時(shí)候是要支撐的，金屬是要支撐的。在不添加的情況下，我們可以做到什么樣的角度，這對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)講是非常重要的，我們的設(shè)計(jì)人員必須要有這方面的意識(shí)和這方面的知識(shí)，知道我在制造的時(shí)候什么樣的角度適合這個(gè)工業(yè)來(lái)做，我們?cè)谇懊嬉沧隽撕芏嗷�礎(chǔ)的研究工作，包括這種極限的角度，在不同的材料來(lái)不同的擺放，對(duì)它成型的精度的影響。

這是我剛才提到的，我們用一些數(shù)學(xué)的模型，比如說(shuō)數(shù)學(xué)里面的P結(jié)構(gòu)、D結(jié)構(gòu)和G結(jié)構(gòu)。我們把這個(gè)結(jié)構(gòu)放大或者縮小取出它的特征值來(lái)，我們就可以獲得不同的數(shù)值。所以它可以做到很致密，也可以做到很輕量化，非常輕，比如說(shuō)人的骨骼，它要求的強(qiáng)度并不高，現(xiàn)在我們用金屬材料做這個(gè)植物體的話(huà)，實(shí)際上都是超強(qiáng)度的，但是它本身的重量是要重很多，如果說(shuō)我們要達(dá)到它骨骼強(qiáng)度的要求，在重量上盡量輕化，我們這個(gè)模型就可以做。

另外在基礎(chǔ)方面，很多人都問(wèn)我一個(gè)問(wèn)題，你做的這個(gè)金屬的零件，它的強(qiáng)度是不是跟傳統(tǒng)的鑄造一樣呢？這個(gè)我可以告訴大家，它是完全結(jié)合的，實(shí)際上是個(gè)焊接的結(jié)構(gòu)。如果說(shuō)它是不致密的，或者我們焊接里面有氣孔，這是個(gè)不合格的產(chǎn)品。作為金屬成形的基礎(chǔ)必須要做到致密。但是我可以用改變一個(gè)策略，還有像剛才我講的我改變?cè)O(shè)計(jì)的，就可以達(dá)到不同的致密度，我可以要求做一個(gè)零件，表層是致密的，密度可以有一定的疏松。

大家看到的這個(gè)是一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，我們首先要設(shè)計(jì)出12個(gè)零件出來(lái)，然后把它組裝起來(lái)，這是傳統(tǒng)方法做的，沒(méi)有辦法回避。但是我們用3D打印怎么做呢？我在計(jì)算機(jī)里只要設(shè)計(jì)三個(gè)零件，在計(jì)算機(jī)里完成組裝，這是很容易的。它有一些約束是不需要你去考慮的，直接就把它做出來(lái)，我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到這個(gè)間隙怎么設(shè)計(jì)，怎么去達(dá)到在擺放的時(shí)候，在成形的時(shí)候用什么角度達(dá)到這里面的沒(méi)有支撐，或者是比較少的支撐，我把這個(gè)東西拿下來(lái)之后，這個(gè)東西是完全可以活動(dòng)的東西。

這是我們?nèi)ツ陝倓傉f(shuō)明的一個(gè)算盤(pán)和銅錢(qián)的設(shè)計(jì)。大家知道算盤(pán)的珠子有很多，都是可以動(dòng)的，這個(gè)設(shè)計(jì)也是非常有意思的，我們把它設(shè)計(jì)出來(lái)，也做出來(lái)了，在去年的新加坡的第一屆3D打印大賽當(dāng)中獲得了特等獎(jiǎng)，應(yīng)該說(shuō)在這方面還是做得比較突出的，尤其它的細(xì)節(jié)做得非常好，在新加坡獲得了獎(jiǎng)項(xiàng)。當(dāng)時(shí)我們投入了朗閣，除了算盤(pán)和銅錢(qián)以外，我們把算盤(pán)和竹簡(jiǎn)也結(jié)合在了一起做了一個(gè)設(shè)計(jì)，這里面包括了一些文字，包括算盤(pán)的東西。設(shè)計(jì)完了以后，最后把它做出來(lái)，它是可以活動(dòng)，可以彎曲，在國(guó)外也得到了比較高的評(píng)價(jià)。這個(gè)更大的是一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。當(dāng)然這種設(shè)計(jì)也做了很多，包括這種球關(guān)節(jié)、三角環(huán)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、滑塊等等。

剛才鞏老師也提到了激光熔覆，這是我們做的一個(gè)噴嘴的設(shè)計(jì)，至少有三個(gè)零件來(lái)設(shè)計(jì)，我們想把它完全一體化，就不用組裝了。把這三個(gè)聯(lián)結(jié)在一起直接制造出來(lái)，激光的通道，里面有水冷的通道，還有粉末的通道，這個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)該說(shuō)是比較好的，我們也做了一個(gè)噴嘴，這個(gè)噴嘴不用再去組裝了，用這個(gè)東西做出來(lái)的東西完全可以實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該是一個(gè)比較好的應(yīng)用情景。

另外我們也做了一些其他的東西，這是一個(gè)建筑的模型，也可以打開(kāi)，里邊有很多網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這也是今年我們?nèi)バ录悠聟①悾�它是一個(gè)建筑的大賽，沒(méi)拿獎(jiǎng)，設(shè)計(jì)也是非常有意思的，它也是中間可以打開(kāi)的，這是我們從別的地方拿到的一個(gè)數(shù)據(jù)，也是驗(yàn)證我們做的這個(gè)精度和它尺寸方面的一些優(yōu)勢(shì)。

其他方面我們有了設(shè)備以后做了很多工作，各種各樣的，我們做了金屬，它里面曲軸、散熱器都非常的精細(xì)。

在航空航天里面，這是國(guó)外的一個(gè)照片，有很多這方面的需求，包括很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括像各種各樣復(fù)雜的零部件，這個(gè)將來(lái)我想應(yīng)該發(fā)展需求是非常多的，優(yōu)勢(shì)也是非常明顯的。這些是汽車(chē)上的一些東西，非常適合輕量化。這是國(guó)外做的一些，在汽車(chē)方面的一些零部件的制造。

下面我說(shuō)一下我們?cè)卺t(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。華南理工大學(xué)有了這個(gè)設(shè)備以后，因?yàn)楹娇蘸教欤�我們跟鞏老師，跟有些學(xué)校不一樣，我們不是航天系統(tǒng)的，我們是管理院校，這個(gè)設(shè)備出來(lái)以后主要是在醫(yī)學(xué)方面，包括牙科，包括骨科，下面這些圖片都是我們?cè)��?jīng)做過(guò)的項(xiàng)目和產(chǎn)品，而且這個(gè)在去年也獲得了優(yōu)秀的獎(jiǎng)項(xiàng)。首先是牙科，這個(gè)目前在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)是應(yīng)用比較好的一個(gè)技術(shù)了，在很多地方替代人工是一個(gè)非常好的趨勢(shì)，也就像前面搞材料對(duì)話(huà)里面有人講到的，本身這個(gè)有一些材料還是比較貴的，國(guó)外的設(shè)備也是比較貴的，所以我們的設(shè)備出來(lái)以后，可能會(huì)為這個(gè)技術(shù)的推動(dòng)有一定影響。它的原理和過(guò)程，掃描到計(jì)算機(jī)里以后三維重建，然后經(jīng)過(guò)3D打印把它打印出來(lái)，然后送到醫(yī)生手里，醫(yī)生給病人戴上，這項(xiàng)工藝應(yīng)該說(shuō)是很成熟了，問(wèn)題就是你的設(shè)備還有這個(gè)材料是不是能被人接受，這是一個(gè)過(guò)程。

這是我們做的牙科的另外一個(gè)產(chǎn)品，革新華的舌色托槽。這個(gè)技術(shù)我們是把托槽放在牙齒的內(nèi)測(cè)，是目前不能先進(jìn)的方法。當(dāng)然這個(gè)托槽的制造要求就很高了，每個(gè)人的每個(gè)牙齒都要定制一個(gè)托槽。定制出來(lái)以后，在外面你是看不到它戴著矯治的，目前已經(jīng)拿到了產(chǎn)品的注冊(cè)許可證，所以有的人討論，3D打印醫(yī)用產(chǎn)品拿證是不是很困難？也不一定，看是哪一類(lèi)的，這是屬于二類(lèi)的，在省一級(jí)的就可以注冊(cè)，現(xiàn)在正在醫(yī)院進(jìn)行推廣。

這是膝環(huán)節(jié)的一個(gè)脛骨，這個(gè)我們也是用3D打印做的，而且致密度達(dá)到80%，是一個(gè)很大的突破，這個(gè)在國(guó)外目前沒(méi)人做，這個(gè)工作應(yīng)該是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的工作，當(dāng)然金屬是我們的長(zhǎng)項(xiàng)。過(guò)程是這樣的，在計(jì)算機(jī)里我們首先去給它模擬，然后我根據(jù)切的多少去設(shè)計(jì)這個(gè)假體，這個(gè)設(shè)計(jì)出來(lái)是個(gè)定制化的、個(gè)性化的，根據(jù)人骨頭的特點(diǎn)做的一個(gè)東西，應(yīng)該說(shuō)是非常適合的，這是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)然這個(gè)需要認(rèn)證，現(xiàn)在我們?cè)谧鲆恍┢渌�的工作�?br />
另外像我們前面也做過(guò)一些手術(shù)導(dǎo)板，我們不是植入到人體里面去，在做手術(shù)的時(shí)候打孔，打多深的角度，用模板來(lái)固定它，這個(gè)我們?cè)谧鼋饘俚�，�?dǎo)板的東西大多數(shù)目前在做的是高分子材料或者塑料的，那金屬有什么優(yōu)勢(shì)呢？第一應(yīng)用高，第二比較容易消毒，高溫消毒以后非常容易，比一般的塑料材料要有優(yōu)勢(shì)，如果把它做成產(chǎn)品的話(huà)還是需要認(rèn)證的。

3D打印這個(gè)技術(shù)，尤其金屬成形技術(shù)應(yīng)該是3D打印的一個(gè)主流的方向，尤其工業(yè)級(jí)的。剛才聽(tīng)我講到的內(nèi)容，設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，所以我寫(xiě)了一本書(shū)，叫《制造改變?cè)O(shè)計(jì)》，講的是3D打印直接制造技術(shù)，希望大家有興趣可以關(guān)注一下。