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邢飞:送粉金属增材制造的激光功率可达10000瓦民

ڣ2019-10-08

  2019年9月19-21日,IAME中国(西安)国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技创新的开放合作共享交流平台,汇聚全球顶尖的增材制造(3D打印)领域成果及人才,促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体,到西安现场全程报道。

  在09 月 20 日“增材制造技术与航空航天论坛”南京中科煜宸的总经理邢飞做了主题的主题是《送粉3D打印激光再制造技术及装备的发展现状及趋势》的报告。(本文7000字,值得花7分钟阅读)下面是现场速记(本速记已经勘误,但还会有不准确之处,请熊友读者谅解):

  首先感谢被邀请,过来分享我们最近做的一些事情。我的报告分以下五个部分汇报。

  第一是汇报3D打印装备,特别是送粉这一块,以送粉和送丝为主,是我们公司的主业,现在3D打印比较多在金属这一块,我们对3D打印的定位它取决于材料,如果材料很细,纳米级的我们需要挤压就可以成型做的密度很致密,而且性能很好,如果是微米级的粉,我们可以使用激光打标机的原理,就是SLM的技术,把粉铺的很细,因为它送不了太细,所以我们把它熔化掉,激光功率很小,200瓦和500瓦,这是SLM技术。如果粉再粗一点,我们到50微米到200微米之间就可以送,就出来了LMD技术,送粉打印技术。再粗一点到1毫米就是送丝打印,它取决于市场应用,这个技术是不是便宜。送丝打印最便宜,因为材料成本比较便宜,这两年送丝打印发展比较快,但SLM技术比较成熟,软件成熟,包括离线编程,包括激光器发展很多,送粉涉及很多关键的器件,包括一些软件,所以它相对发展慢一些,送粉和送丝技术原理很一致,在这一块有一些共同之处,提出来送粉、送丝微铸锻和增减材,甚至特殊超声的处理方法,所以很多的装备在融合,这也是目前3D打印装备发展一个大的趋势。送粉用的功率肯定比铺粉高,一般是2000瓦以上或者1000瓦以上,最高可以用到1万瓦或者更高一些的功率,通过一个送粉器,我们把高功率激光熔化堆积在一起,首先大家想到它可以做修复,它不是3D打印,做修复,比如说发动机叶片,或者阀杆,阀座,比如说钛合金的,或者高温合金需要修复,这个技术就很好,不是完全打印。所以这个市场也足够大,虽然是修复,在密闭的空间修复,这是送粉第一个应用,第二个是打印,直接成型大型构件的打印,再一个可以做强化,可以做直接成型,它适合于包括我们现在做的功能梯度材料,包括仿生结构打印,这个铺粉做不了的,特别是仿生结构打印,这就送粉去做,送丝去做。这是它的一个比较大的应用领域。

  国外有几家,奥特斯道,美国Optomec,这两家做的尺寸并没有那么大,而且它的销售量比较清楚,在美国或者在国内相对少一些,德玛吉的增减材,实际GE自己做送粉和送丝的设备量比较大,只是不对外销售,送粉送丝这两年发展比较快。

  我们公司基于送粉和送丝形成系列化产品,从第一个面向教育领域,我们叫做4030这一款,它比较小,打印尺寸400×300×200,或者更大一点,用的一般是1000瓦的激光器,这个售价很便宜,现在一百多万。现在卖的最多8060,我们计划明年这个型号接近80台的销售量一年,甚至更高,这一块从明年开始比较低的定价,这个用4000瓦做送粉。再就是1500,1500适合整个航天打印,像航天关键部件,像舱段,过渡段的打印,包括一些修复,适合1500,还有2500型号,打印尺寸2.5米×2.5米×1.5米,包括3000,3米×2.5米×1.5米,包括4500,4.5米×4米,3.5米×3米,各种型号都有,我们在国际上第一次把产品给它系列化了,打个比方,我们做了300台设备,造车的,我们有各种车,有轿车,有AO款,有厢式货车,有SUV,现在我们开始我们把这些型号相对标准化,固定几个车型,这是我们做的事情,去年我们起草了国家标准,今年申报了国际标准,这一块还没有国际标准,它有哪些技术优点?激光器肯定是大功率的,我们现在主要用激光器(laseline)半导体激光器,目前国内我们是它最大的集成方,我们采购量最大,包括送粉器很关键,加工头很关键,再就是软件,我们用铺粉我们有很多的软件,离线编程,我们有西门子的AX4.0,达索的软件,可以做铺粉的创新设计,仿生设计,送粉有没有?没有,送粉有没有仿生设计软件好像比较少,所以我们开发送粉的仿生设计软件,把CAD和CAE软件明年推出商业版的送粉基于仿生结构的软件CAD和CAE软件,CAM软件销售很多套,再就是我们自己的数据库,包括设备的加工量,加Argus软件,这个我们也卖了很多套,再一个机床结构,这个是很关键的点,如何在密闭状态下完成产品的快速打印,对于高温合金钛合金这个比较重要。

  电弧打印和送粉打印不太一样,电弧打印效率更高,成本更低,而且它对基础材质还不是很敏感,这一块现在发展很快,很多家做这个事,还有国外在做的,包括武腾工业,包括日本的马扎克,它也有电弧打印设备,我们也做过电弧打印设备,三年前我们就开始做,我们最开始给北理工做了一台,打印尺寸是3米×2米×1.5米,是密闭状态的电弧打印设备,从那开始我们做了很多,包括1500这个型号电弧打印设备,我们1500是整体吊装,设备很大,我们一体吊装,不用拆卸,这个做了一些工作。还有增减材,增减材也有人作为一个主要的方向,我本人有一个和这个不太一致的观点,增减材对于民用市场是伪命题,送粉和送丝来讲打印过程肯定热处理,热处理完数控加工,它为什么合在一起呢,所以这个只适合移动修复和舰载,军用适合,因为它需要狭窄的空间,需要快速移动,只有这一个情况下需要这个市场。所以从民用市场来讲,德马吉出来比较早,包括60的床子,包括马扎克,在国内都没有销售,这是有原因的,可能市场分析还是不够到位。包括马扎克增减材。所以这一块来讲,我自己把这三种技术做了对比,铺粉适合精密部件,尺寸小,一定是异形的,或者是镂空的,或者是点阵结构的适合,它比较完善的,医疗领域比较大,医疗用的比较多,汽车领域,比如模具,航空航天,喷油嘴这些东西,这一块有它成熟的CAD,CAE软件,还有CAM软件,供应链管理,激光器。在这一块它有成熟的CAD,CAE软件,也有CAM软件,它很普及。

  包括整个供应链管理,激光器,包括振镜,包括软件很成熟,所以说这个发展很快,目前做铺粉设备,我们统计过有200多家在国内的量。送粉适合于大件,效率高,成本更低,它的缺点是精度差一点,需要进一步加工,但是它特别适合异质结构的打印,我这一层不是一种材料,比如TA45和TA4,有硬有软的,这是性能结构,用送粉打印没有增加任何成本,但是这个材料出来之后可能把几百东西变成几十毫米厚,或者更薄,但是它的强度更高,适合于轻量化,成本更低,现在研究的人很少,我们的设备都可以干这些事情,缺软件,第一是我们缺CAD,CAE软件。虽然我们有很多的总工,但是我们并不清楚做仿生结构异质结构设计。第二个缺CAM软件,包括我们的监控体系还有材料体系都很缺乏,工艺数据库比较少,这一块发展很快是市场没有起来。它的领域很多,包括民用市场和修复,包括未来异质结构的制造,它有很多部件的制造,送丝它的特点是一样的,我们把国内优秀企业做了统计,不是说对我们自己的推广。金属3D打印应用领域,一个是航空这一块,王总说过3%的重量可以用到这个技术,发动机也是,很多部件可以用到。医疗行业用到3D打印,包括汽车行业,这是比较大的行业,再有一块还是汽车,包括仿生设计,尤其仿生设计不止是铺粉,送粉和送丝的仿生设计有更大的科学价值和产业价值,只是说现在还很不成熟,不是设备不成熟,是软件不成熟,工艺不成熟,大家需要做很多的研究。

  第三块讲民用的技术,激光熔覆的技术,我们提到熔覆再制造首先想到修复,修复过去想电镀,新产品的强化,或者用电焊,或者是刷镀来解决很多问题,我们最开始出的激光熔覆结合比较多,有很多的性能优点,这种设备有很多结构形式,有龙门结构,龙门结构可以干两个事情,除了干修复还可以做焊接,我们给船厂的设备,它除了焊接还可以做修复,这种设备是开放式的,不像过去密闭状态下。这是一类设备,第二类是机床类的,机床类分几种,一种超高速,另一种是一般机床熔覆的,这是两种类设备。第三类是移动修复,移动修复分两种,一种是机器人式,七位数开奖结果今天!一种是集装箱式,其实非常成熟,而且是重减材的,修完之后直接减材,有现成的软件,这个不是什么难题,民用应用领域我们做了很多套,增减材包括移动修复,在民用市场还是有市场,特别对于一些特殊领域,细分市场还是不错。

  超高速和一般熔覆有什么区别?一般熔覆可能只熔化80%,超高速只熔化20%,这是区别,所以超高速的效率更高,如果0.26毫米厚的可以做到一平米,很快的速度,它的表面非常光滑,基本上这种送粉方法和铺粉打印性能差不多,不需要上车床,只需要精磨一下就直接使用,特殊领域可以直接用,超高速熔覆主要替代电镀,完全可以把电镀替代了,很多认为激光熔覆比电镀贵,从来没有人问过超高速熔覆和电镀比怎么样,超高速熔覆比电镀性价比高,要便宜,为什么推不出去,因为很多人说把机床转速提高了就超高速熔覆,不是这个概念,超高速熔覆的粉是10微米到50微米,一般熔覆用的粉50微米到160微米,不是一个系列的粉,不是转速提升就是超高速熔覆,它有很多工艺特点和不一样的地方。这一块它的速率更高,线米每分钟,非常高的效率,可以做到接近2平米一个小时,它主要的构成,有机床部分结构,这不再细讲。两个核心器件,一个送粉器,送粉器一定能够送细粉,我说的细粉是50微米以下的细粉,国内多少送粉器能送20微米以内的细粉?很难送细粉,所以这个是超高速很核心的东西。第二是加工头很重要,在快速熔覆下保证稳定性和可靠性,包括我们的工艺性。

  它的应用领域很有意思,一般的修复对于模具是很大的市场,不是打印,是模具压边圈,新产品的强化,包括老产品的维修是很大的市场,包括很多轴类部件,包括现场的移动修复,包括在石化行业钻杆竿,输油泵,水泵,阀门等修复和强化,一个对新产品,一个对老产品。它除了能替代镀铬,镀铜,陕西这一块有比较大的市场。这个相对成熟,而且材料价格便宜,铁粉很便宜,不到一百块一公斤,几十块钱,所以成本大大降低了,送粉的方法,在连接轴,包括三推,很多都可以替代,而且成本非常低。前面讲了我们的设备和我们的应用市场。

  我们中科煜宸成立于6年前,2013年成立,技术来自于中科院,我们主要两块,一个做加法,3D打印,一个是做等法,减法我们不去做。目前是联盟的副理事长单位,也是标委会的成员单位,是国家发改委,包括工信部的产业化基地,我们现在有四项国家重点研发计划在手里,我们拿过第四届中国创新大赛总冠军,焊接拿过一次科技部的一等奖,这是精准的控制技术,我们有自己的材料体系,有我们的数据库,有我们的很多软件,这个软件全是我们自己开发的,包括CAM软件,设备管理软件,还有数字仿生技术的软件,我们都在做这个事情,这一块一个是增材的设备,一个是应用,去做一些行业推广,这一块我们不是希望通过我们自己来培育市场,我们希望跟在座的,无论是上游,下游还是应用端一起来做市场的培育,这个市场现在还不是很大。我们有一些核心技术,首先我们把设备系列化,无论从4030,8060、1500、2500到3000系列化,送粉器系列化,关键器件系列化,我们现在占有率送粉的确在国内最高,基本达到70%的市场占有率,这个设备送粉和送丝这一块。其他的相关技术在行业内做的不错。我们目前总部在南京,主要做整个设备的研发和制作,最近为了与客户成长,我们不是要做服务,只是没有人培育这个市场,或者培育这个市场谁干了什么件,不知道这个设备谁提供的,逼着我们去干,把我们的设备升级和用户做,我们材料和用户一起分享,我们工艺和用户一起分享,所以我们做这个服务,我们沈阳建了基地做军用打印服务,其实不是为了服务,是为了培育市场,我们愿意把我们所有东西和客户开放,甚至让利于客户,包括在安徽我们做了基地,我们首先是有材料这一块,设备自己做,我们有两种技术,一个做加法一个做等法的两种技术,我们更看重把工匠经验变成一种数学表达,什么是人工智能?经验的数学表达叫人工智能,这个做成软件,赋予设备,我们通过获取激光器,机床,材料过程的参数,然后形成规律,然后形成数据,就像富士康,对整个事情是有帮助的。我们公司产品,包括钛合金,包括铝粉,整个系列产品,材料是很重要的一块,第二块是我们的数据库软件,这个软件现在没有完全给客户开发,做了五六百数据库,各种的用户,卖设备,焊接和修复,我们做完输入进去,这两个行业哪种材料,怎么构建,什么功率,完成什么体系我们做了这个软件。第二块这些CAM软件,我打一个件出来会变形,我要打十几米都可以变形,是可以控制的,王总讲大件分块,块件分区,区块成形,这16个字送粉送丝所有核心的工艺,怎么把这个东西变成人工智能算法,变成软件,这个不是专家完成。第二块做了Argus软件,对激光器,送粉器,包括机床,包括过程,温度场,熔池,温度的形貌检测全有,还有反馈,在这个基础上我们要形式SQC在线质量控制,要能判断这个件产品质量怎么样,这个对于制造业很关键,我们现在做的单机版,设备市场占有率比较多,但是市场比较小,后期有各种各样的价值。加工头这一块很多人做了,这个没有什么可以讲的。送粉器,要求长时间稳定送粉,而且在线称重和在线加热功能很重要,我们两个事业部,一个做加法增材制造,一个做等法焊接自动化,很多人问为什么做这两个事业部,3D打印不是替代很多东西,我们叫融合制造,这个件就适合做减法数控加工,这个适合做加法,加法和减法,全加法做完之后联结在一起,我不管激光焊,摩擦焊还是别的方法,一定是融合制造,加法这一块,我们做了送粉的,送丝的,包括修复的,做了很多标准的设备,现在我们做标准化,做了这项工作,做了核心技术,软件,加工头和材料,形成系列化的产品,我们的用户很多比较清楚。包括一些高校科研机构也买了我们大量电弧打印设备和送粉打印设备,我们还有两块,一个是等法和民用的修复,一类是电池,包括超高速修复设备,这一块我们也是按照行业去做,工程机械的传统系统,电镀可以用这个来做,包括某武集团,买了我们七台设备,全是我们的设备,包括一批钢铁厂都是我们的设备,它替代了传统的一些方法,再到矿业,煤炭机械市场如何做加工和修复,替代了电镀,是比较大的市场。我们的一些用户以国内军工央企或者大的民营企业,这一块我们明年或者今年年底使我们的设备能够真正大批量快速进入民营企业,中小微企业,这也是我的目标,我相信到明年会实现,而且价格大大降低,使很多过去军工用的设备,以更低的价格进入市场,而且设备更加智能化,更加便捷的使用设备。现在大家可以提问题。提问:我想问一下电弧打印,可以最大打到20米行不行?就是长度和宽度。刑飞:其实电弧打印这种尺寸是没有约束的,没有约束、多大都行。提问:比如说里面要装一些零件,要装的时候很复杂,流道那些能不能做?刑飞:这个问题特别好,很多人现在8段件和4段件的,很多人问过我,为什么我们不做呢?我认为2500足够了,为什么大尺寸没有意义呢?比如说我做一个很大的轮盘是流道结构的,其实我完全可以设计成四段,每一段是扩张打印,中间是用电弧连接的,我们不要有一个思想,就是这个件有多大,我们就要设计多大,我就要多大设备,我们说电弧打印和送粉打印一样,它们实际上还没有受太大的尺寸约束限制。它取决于第一个就是你的设计,你的设计很重要,设计一旦解决好了之后,下一步就是工艺,工艺就很重要,我说工艺很重要什么意思呢?比如说这里有一些件是很复杂的产品,有流道的用铺粉去做,支撑件要用送粉去做,连在一起我们可以用焊接做。这个是电弧打印来做,成本比较低,这个用电弧打印来做,我觉得对于一个研究机构或者一个单位,最好的是铺粉、送粉、送丝都有,或者焊接都要有,你只要足够聪明就可以干很多事情。其实我们王院士拿一等奖是增材制造的连接技术,不是打印技术,连接技术拿的是一等奖,所以它是一种连接的概念,怎么把一个产品通过融合制造做出来,这是很重要的。提问:你好,我有一个问题,对送粉来说打小件,比如说打500mm的和打10米的有多大区别?这是第一个问题。第二个问题,就是说你们在修复方面做了大量的工作,在修复的时候,你们是如何处理界面的母材和新堆上去这个界面的?刑飞:这个问题特别好,所以说,很多人就问我,我有一个四米五的设备,或者我有一个两米五的设备,或者我有一个三米五的设备,或者我只有800的设备,我是最大的设备和什么样的设备,这根本不重要,还是工艺。其实我们有的时候,把我们用的设备的能力看得太重要了,我们为什么现在要做这个呢?我们要告诉所有的用户,买设备的时候,我会跟客户说过一句话,我说我要使你半年时间具备打大件的能力,他们开始还不相信,其实我们是在培育市场。为什么说呢?别人可以做的事情你也能做,很大一块就是其实在于500、900和一米之间,它还是一个融合制造的概念,当你线还是一米,你可能增大了有刚性舱体和柔性舱体,就是具备氧化能力的材料,如果它没有氧化,如果是传统的材料,就不存在密闭舱体的概念,我可以设备做得很大,这是第一个问题。第二个问题就是讲的界面的事情,实际上截面的事情,现在很多是基于一种材料来研究一种技术,实际上来讲不是不对,材料很重要,工艺很重要,其实数学更重要,数学更重要,为什么呢?当我们真正理解CAE和CAT的问题的时候,你会发现截面的问题全解决了,再加上传感器。