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王颖:提高光学质量是激光3D打印的突破口

zhufengxia 发表于 2015-7-22 16:56:31 | 显示全部楼层 |阅读模式 [复制链接]
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国家“千人计划”专家王颖博士长期从事新一代大功率激光器的产业化以及新型激光器的研发,对激光3D技术有深入的见解和体会。近期,《千人》杂志就激光技术对3D打印的影响,对王颖博士进行了专访。

激光器助力高端3D打印

《千人》:作为21世纪发展极具发展前途的新技术之一,各国政府和工业部门都非常重视激光技术的发展,激光技术在3D打印产业中的应用现状如何?在3D打印产业中又处于怎样的地位?

王颖:激光技术主要用于金属或陶瓷材料的3D打印。尽管其他的3D打印也可以利用激光技术,但成本太高,因此只有在特定的情况下才会使用激光源。在金属和陶瓷类的高端3D打印中,激光器现在是最合适的能源。由于其非接触式的特点以及功率可控和稳定性,激光已经被认为是3D打印中不可或缺的手段。

激光技术在3D打印产业中现在处于发展的上升阶段。在这个阶段中,对用户影响最大的是目前激光器的价格。新一代的激光技术包括光纤激光和半导体激光,新一代激光器件的最大优势是电光转换效率高,可达40-50%,可通过光纤传输,不需要后期维护等。尽管最近几年新一代激光器的成本大大地下降了,相比其他3D打印设备中的器件来说,成本仍然是最高的,甚至达到60%以上,这从某种角度上限制了高端3D打印的广泛发展。
《千人》:3D打印技术包括3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平板印刷技术、UV紫外线成型技术等多种技术,与这些技术相比,激光技术的优势在哪?
王颖:3DP技术使用粉末材料,如陶瓷,金属,塑料粉末等,通过铺粉,然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域,让材料粉末粘接,形成零件截面,然后通过层层铺粉、喷涂、粘接的过程,叠加打印出零件。熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)将丝状热熔性材料加热融化,通过一个微细喷嘴的喷头挤喷出,沉积,冷却固化,通过材料的层层堆积形成最终成品。SLA即光固化技术是最早发展起来的快速成型技术,也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术,主要使用光敏树脂为材料,通过紫外光或者其他光源照射凝固成型,逐层固化,最终得到完整的产品。这些技术都不需要激光的参与。
激光应用的3D打印技术主要有两种,一个是所谓选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering, SLS),本技术利用粉末材料在激光照射下熔融烧结的原理,由计算机控制层层堆结成型,原理与3DP类似,只是把胶换成了激光。由于激光扫描的局限性,目前这个方法比较适合做较小的零件。另一种激光3D打印的技术是直接粉末堆积方法,通过机械臂或多轴联动的数控系统,将激光在预定轨迹上扫过,同时将粉末直接输送到焦点进行熔化堆积成型。这种方法可以用来打印很大的工件。理论上没有尺寸限制。相比SLS方法,激光光斑稍大,因此产品光洁度一般低一些。
未来核心:提高光学质量 创新工艺技术
《千人》:近年来,激光技术已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如航空航天领域、医疗领域、军事领域,材料加工领域等,与在3D打印产业运用中相比存在哪些差距?造成差距的原因是什么?
王颖:激光在航空航天领域、医疗领域、军事领域,材料加工领域早已得到了广泛的应用。这些应用也在不断发展和更新中。新的激光技术往往会引起各领域的一些改变。3D打印相比之下还刚刚起步,这是造成差距的原因之一。另一方面,3D打印本身还有待成熟,如金属材料的打印方面,材料,工艺,打印对象等多为定制型,设备通用性不够,这也是目前发展的限制因素之一。
《千人》:3D打印行业中的激光技术刚刚起步,目前面临哪些技术局限?您觉得我国的激光技术能应该如何突破这些局限?
王颖:激光3D打印主要还是集中在金属材料的应用上,如何取得高精度和避免二次加工是是激光3D打印亟待突破的技术限制。
要突破这个限制,如何进一步提高光学质量,尤其是高功率激光的光学质量是努力的目标。目前国内高光束质量的激光器现在已可以比较容易小规模实现,光斑已经可以做到波长量级,但成本还比较高。另外打印的质量往往和工艺有关。粉末技术是个比较重要的因素。超细的粉末如何准确稳定输送也是个工艺上的问题。因此实现高精度打印,需要开发出新的工艺技术。另外,当制作精度提高后,打印速度就会受到较大影响。3D打印的速度和精度的平衡也是一个课题,过慢的打印速度所带来的成本也会限制技术的普及。我国的新一代激光功率和光学质量有待提高。国家应该对国内的关键核心技术加以评估和梳理,并对这些技术的工业化发展给予支持。工艺研发和关键器件的自主生产可以突破激光技术的瓶颈,成本的进一步下降对3D产业的推动将会有较大的帮助。
关于降低成本,我曾提过“激光参数的选择对打印成本有关键的作用,激光器的选择对3D打印的结果也起到关键的作用”。激光参数包括光斑尺寸,光斑分布均匀度,波长,功率等等。这些需要综合考虑,并根据要完成的工作进行优化。不了解激光技术的用户,如果选错了系统,对项目的顺利进行会有影响。轻则过多的花费资金买了超出要求的激光系统,重则引起项目失败而并不知道其实可以成功。比如同样的功率,均匀分布的光斑和正态分布的光斑取得的效果可能是不同的。
《千人》:目前激光主要应用于金属3D打印,您曾说过“激光技术用于局部修复或许是金属3D打印推动的突破口之一”,激光技术用于局部修复的运用现状如何?
王颖:目前金属3D打印的推广尚有段路要走。一是因为成本比较高,设备和粉末都不便宜,另外工艺不像打塑料玩具那样简单和要求低,用于普通零件生产不够经济。对高端制造,如航天航空领域,单件制造应该就需要全检而不是抽检,缺陷的全面检查会进一步增加成本。改变工艺,优化生产,减低成本都会需要些时间。相比之下,利用这项技术进行局部修复是合适的。因此这可以是个突破口,可以把市场应用引领起来。目前激光技术用于修复也还在普及中。最近我们和客户开发的便携式激光修复设备就是这方面的一项努力。
《千人》:目前激光技术用于局部修复的市场规模如何?面临哪些困境?该如何解决?
王颖:局部修复市场有数亿之巨。面临的问题一是设备的价格,二是粉末技术和来源,另外就是工艺的问题。修复对环保和产品升级都是重要的,国家在这方面应该给企业鼓励来使用这项技术。用户多了,设备成本也就下来了,可以良性循环。3D打印的产业中激光技术仅是数个产业发展因素中技术因素中的一个方面而已,但可以在激光技术本身做些工作,优化激光器来提高打印的光洁度和打印效果。
中国布局:从市场出发 深度融合
《千人》:在全球制造业竞争加剧的大背景下,激光技术为什么在制造业大受青睐?对于制造业的战略意义是什么?
王颖:激光加工具有能量易控制、加工结果一致性好等优点,常常取得传统加工做不到的结果。与其他很多方法不同的是,激光加工为非接触性加工。另外,从节能环保上看,新一代激光器的电效率为传统激光的十多倍,电耗因此大大减小, 是节约资源的先进制造、再制造的基础,新型激光器由于成品率高和运行、维护费用低,可以很快收回投资。激光技术在制造业中“大行其道”,既是国际上的趋势,也是国家高端装备制造业发展规划的内容
                    
海到尽头天为岸,山到高处我为峰!
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