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金属3D打印前景明朗:柔性化成重要趋势

发布时间:2016-11-08 08:53:57

金属3D打印作为3D打印技术中发展最快的一个部分,其打印设备的销量将在下一个十年增长48%,金属材料也将达到32%的增长率。随着设备价格的降低,应用金属3D打印技术的产业将会越来越多。为此,OFweek3D打印网编辑独家专访了天津清研智束科技有限企业常务副总经理郭超博士,一起探讨金属3D打印产业的现状及未来发展的重点方向。


金属3D打印前景明朗:柔性化成重要趋势


      天津清研智束科技有限企业常务副总经理郭超博士


      天津清研智束科技有限企业作为一家初创企业,依托清华大学天津高端装备研究院进行技术产业化而创立,在3D打印领域有哪些核心技术?


      郭超:大家的核心技术是粉床式电子束3D打印,它是以电子束作为热源,在粉床上通过逐层熔化金属粉末来构建3D实体。全球最早将粉床式电子束金属3D打印技术商业化的企业是瑞典的Arcam AB企业。大家的技术来源于清华大学机械工程系,是国内最早研究该技术的团队。


      电子束3D打印非常有特点,有些激光3D打印做不了的,电子束就可以做。比如对于激光有高反射率的金属、脆性金属,电子束打印的效果要优于激光。为此,大家大概从2000年就开始跟踪这项技术,积累了很多相关专利,比如获得了国内最早的粉床式电子束金属3D打印专利。同时,国内第一台用于实验室开发新材料的样机,也是大家团队做出来的。从去年开始,依托清华大学的技术积累,大家希翼将该样机从实验室技术转变成为商业化的产品。


      本次展会中,清研智束科技主要展示的产品有哪些?和同类型产品相比,有何特色?


      郭超:目前,大家的电子束3D打印设备QbeamLab已经可以接受订货。大家都知道,金属3D打印主要有两种热源,一种是激光,另一种就是电子束。其中激光热源使用的比较多,但是电子束热源功率可以达到更高水平,大部分能量可以被材料吸取,吸取率达90%甚至更高,因此打印效率更高,一般是激光3D打印设备的2到5倍;另外,电子束3D打印流程更短,整体打印温度更高,打印出来的结构组织同时经过热处理,不需要后续热处理过程;另一方面,电子束3D打印可在真空环境进行,可以最大限度保护材料不被污染,甚至有提纯作用。综合而言,激光和电子束3D打印各具优势,谁也无法取代对方。


      基于电子束3D打印的诸多技术优势,大家的设备QbeamLab也做了很多创新或改进,以适应柔性化制造的需求。首先是采用主动式送粉方式,对于粉末流动性要求不高,并且粉末利用率大大提升,只需要1到2公斤粉末设备就可以运转,更利于金属3D打印技术的应用普及。另外,通过模块化设计大大增加了设备柔性,例如粉末模块可整体替换,方便粉末更换和清理,大大提升了设备的使用效率。第三方面是App技术,大家的App完全自主研发,并做了整合优化。设备可直接读取三维STL文件,边切片边打印。另外大家的App中还内置了强大的路径规划与能量控制引擎,使得材料工艺开发更加便捷,增强了设备效率及柔性。柔性制造,也是金属3D打印设备未来发展的重要趋势。


      随着产业发展,越来越多厂商开始关注金属3D打印。目前国内金属3D打印产业现状如何?实际应用情况怎样?


      郭超:根据相关统计数据,目前国内有30多家金属3D打印设备企业,其中几乎都是是做激光3D打印方面的。虽然跟国际水平仍有差距,但国内金属3D打印正处于快速发展阶段,整体水平也在逐步提升。


      目前金属3D打印在医疗、模具以及航空航天方面都取得了实际应用,但是应用水平还远远不够,规模效应还未形成。这其中最主要的原因是设计师的欠缺,目前大部分设计师没有接受过3D打印教育和系统培训,其设计思路还是按照传统的铸造或锻造方法,从而限制了3D打印的发展。因此,金属3D打印产业要真正发展起来,首先设计环节需要发展起来。


      相对于其他打印方式,金属3D打印主要有哪些难点?目前主流的金属3D打印技术主要有哪些?各有何优缺点?


      郭超:金属3D打印需要克服的难点一个是高温,因为金属材料熔点较高;另一个就是高应力,因为金属材料快速冷却凝固过程中内应力很大;除此之外,组织及性能控制方面也是一大难点,因为金属3D打印部件是要直接使用的,不像非金属材料模型,而一旦使用就涉及到部件的机械强度。需要控制好微观组织,才能达到力学性能要求,最终才能实现真正的应用。


      目前主流的金属3D打印技术大体可分为两类,一类是喷粉或熔丝方式,另一类是基于粉床方式。前者适合打印一些大型构件,甚至可达十几米,但是打印细微特征就难以胜任。后者更加适合打印一些精细结构,比如多孔或网格状的结构,但在尺寸方面就相对会有所限制。


      近些年,金属3D打印逐渐满足了小批量生产生产需求。目前金属3D打印主要应用在哪些领域?未来实现大规模批量生产还有哪些难题待解?


      郭超:3D打印更适合于个性化定制、小批量的生产,如果零件形状固定,只是复制生产,3D打印就没有优势了。我认为,实现3D打印大规模批量生产主要难题还是在设计方面。设计方面现状不改变的话,3D打印应用就找不到其真正的价值。


      另一个方面就是材料难题,如果大家可以研发一些新材料,使得3D打印效果优于传统工艺。比如钛铝基合金的叶片,用传统方法加工容易产生裂痕,而用电子束3D打印成功率会很高,这样就可以实现3D打印批量化生产。


      目前,清研智束科技主要提供哪些服务?在国内市场进展如何?未来在3D打印方面重点发展的方向是什么?


      郭超:目前大家除了自己研发设备,同时也为应用端提供专业的打印服务,主要面向医疗和航空航天方面应用,比如和621所合作进行钛合金3D打印研究等。未来大家的重点研发方向是医疗应用,目前大家团队也承担了一项国家重点研发项目。该项目目前已经立项,由北医三院牵头,参与单位还包括北京大学、北大人民医院、爱康医疗器械企业。大家主要是作为设备和解决方案提供商参与其中,项目实行期为四年。该项目要求非常高,针对个性化手术需求,要求3D打印设计和制造的时间不能超过72小时,而且在项目完结之前,需要完成50例相关手术。大家将以此为契机,将自主研发的金属3D打印设备带入医疗行业,为和每个人息息相关的健康领域,做出自己的价值和贡献。