金属3D打印前景明朗:柔性化成重要趋势

发表于 讨论求助 2022-07-06 12:43:27

3d打印种植牙

  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,编辑独家专访了天津清研智束科技有限公司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。

天津清研智束科技有限公司常务副总经理郭超博士

  天津清研智束科技有限公司作为一家初创公司,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:我们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公司。我们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,我们大概从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,也是我们团队做出来的。从去年开始,依托清华大学的技术积累,我们希望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,我们的电子束3D打印设备QbeamLab已经可以接受订货。我们都知道,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收,吸收率达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,我们的设备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。第三方面是软件技术,我们的软件完全自主研发,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。另外我们的软件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,如果我们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:目前我们除了自己研发设备,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。未来我们的重点研发方向是医疗应用,目前我们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、爱康医疗器械公司。我们主要是作为设备和解决方案提供商参与其中,项目执行期为四年。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。我们将以此为契机,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。

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