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听北京工业大学副教授张冬云博士说SLM技术

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2016-09-19 15:05

张冬云博士简介

工学博士、副教授。1988年8月-1995年3月就读于吉林工业大学金属材料与工程系焊接专业,获得工学学士和工学硕士学位。1995年4月-2000年4月工作于长春光学精密机械学院激光加工实验室,作为技术骨干参加并完成了“CGJ93 型5KW数控CO2 激光处理系统”、“重载齿轮激光相变硬化工艺研究”、“发动机驱动轴等零件激光热处理技术研究”、“激光处理刀具表面提高精密切削加工中刀具寿命的研究”、“复杂结构精密齿轮激光相变硬化处理技术”等十余项省、部级项目,分别获兵器工业部科技进步二等奖、吉林省科技进步三等奖、兵器工业集团公司科学技术三等奖各一项。

1999年8月获得国家留学基金委留德访问资格,2000年6月获得德国学术交流中心(DAAD)奖学金;2000年10月-2004年8月工作于德国亚琛工业大学Fraunhofer 激光技术研究所表面技术部,期间作为技术骨干参加并完成了德国教研部(BMBF)项目以及德国研究基金会(DFG)项目。实现了采用激光选区熔化(SLM)技术制造铝合金零件的目标。并获得德国亚琛工业大学机械制造专业博士学位。自2005年3月工作于北京工业大学激光院。目前主要从事激光选区熔化在医疗以及航空航天领域的应用研究。

她多年来一直从事有关激光加工过程中激光与材料之间相互作用、材料组织与性能以及激光材料加工外围设备的研究与开发工作。目前拥有德语专著1部,译著两部,合作专著一部。在国际和国内期刊上发表文章40余篇,发明专利20余项。有两名硕士研究生在国际和国内会议上先后获奖。一篇文章获得“精品期刊顶尖论文平台——领跑者5000”。

在《3D打印商情》小编认识的众多业内“大咖”中,北京工业大学副教授张冬云博士算是一个“异类”——她是为数不多的研究3D打印技术的知名女性学者之一。从她漂亮的履历中不难看出她在学术研究方面常年来旺盛的创造力。

说起她与激光选区熔化(SLM)技术的结缘,简直“妙不可言”。SLM技术这一概念是德国Fraunhofer 激光技术研究所在1995年提出的,就在这项技术发展的早期,张冬云博士获得国家留学基金委留德访问学者资格,并“十分幸运”地进入德国这家世界级的研发团队进行相关研究。四年间,她参与了德国教研部(BMBF)以及德国研究基金会(DFG)的多项大型课题,与德国一帮世界一流的同事一起探讨不锈钢、钛及钛合金、工具钢以及镍基合金等材料的可加工性,并负责其中的铝合金研发部分。

张冬云博士介绍,当年没有可以直接应用的事例,只能借鉴传统焊接、激光焊接(当时激光焊接方面的研究远没有现在发达)中出现的问题以及传统凝固理论对材料的加工性能进行分析。因而产生了一些原创性、开创性的思想。而这些经验与思想可不是买来一台EOS的设备直接进行加工、进行实验就能得到的。

留学德国的这段经历,不但铸就了她在研究上创新、务实、一丝不苟的工作作风与工作方法,也夯实了她的专业基础、丰富了她的专业经验,奠定了她此后十数年的研究SLM技术的基调,成为了她一生中最为宝贵的财富。

《3D打印商情》本期便请张冬云博士跟大家聊聊她研究了十数年的SLM技术。

背景:SLM技术的诞生与发展

激光选区熔化(SLM)技术的特点有两个,首先被加工材料为单组元工程材料的金属粉末(气雾化粉末),其次粉末在激光的作用下发生完全熔化,熔化的粉末凝固之后的致密度几乎达到100%。

20世纪80年代,RP(快速成型)技术诞生的初期,在金属材料快速成形领域的研究大多集中在SLS(激光选取烧结)方面。但是SLS技术存在明显问题在于,被加工材料要么是在金属粉末的表面涂覆高分子材料,要么是高熔点与低熔点金属粉末的混合,无论哪种材料均为多组元粉末,都不能获得致密度为100%的模型,需要在高温高压的情况下通过渗入熔点较低的金属来提高致密度。这样制成的模型存在的缺点就是,模型或者零件的微观组织不均匀、性能不均匀,不适合对综合机械性能要求较高的情况,如航空航天的承力部件。

这时候很需要有一个突破,能够直接加工工程上应用的材料。但是当时在技术上存在着诸多瓶颈。因为在20世纪90年代,可以用于加工的激光器只有二氧化碳和灯泵浦固体激光器,而两种商用激光器的功率都较低——前者金属材料对它的吸收率比较低,后者光束质量比较差,因而直接熔化金属粉末存在着技术问题。另外当时的气雾化制粉工艺也不成熟,当时很多学者还在探讨水雾化的多边形金属粉末与气雾化的球形粉末哪种流动性好,更加适合粉末床上的加工。而且当时能够制造的气雾化粉末的颗粒尺寸均较大。这些因素制约着当时的技术进步。当这项技术发展了20年之久,我们回顾这项技术的发展过程时,才真正认识到当时的技术瓶颈以及认识上存在的限制。

SLM技术这一概念由德国Fraunhofer 激光技术研究所(ILT)在1995年提出。这项技术诞生于ILT是必然的。首先ILT的任何一项研究课题都是针对工业应用的研究,目的性非常强。在全世界都进行SLS方面研究的时候,ILT也毫无例外地在这个方向进行研究。其次,ILT是欧洲乃至世界上最重要的激光以及激光应用的研究所,世界上大部分最先进的激光器原型均出自这里,因此有机会使用世界上最为新型的激光器进行相关领域的研究。2011年ILT凭借这项技术获得德国北莱茵威斯特法伦州的科技创新奖,2014年ILT所长Poprawe教授获得美国LIA的Arthur Schawlow奖。Poprawe教授目前正在申请2016年在芬兰举行的千年技术奖(Millennium Technology Prize)。

ILT发明了SLM技术后,在德国教研部(BMBF)以及德国研究基金会(DFG)几个大型项目的支持下,随即展开了相应的应用基础研究:一方面扩展更多的可加工材料,缔结更多应用领域;另一方面与企业如SLM-Solution和Trumph公司合作,助推SLM相关设备技术以及潜在应用领域的发展。在上述基础上,SLM-Solution公司在2003年推出了第一台专业的SLM设备(在这之前进行的研究均是在改造的激光立体雕刻设备上进行的)。2005年左右Trumph公司也推出第一台专业的SLM设备。在这期间Concept-Laser公司也推出了自己的SLM设备。这时EOS公司一直专注于SLS领域的研发。

此后,SLM-Solution公司一直扩展其设备的功能,如预热温度、双向铺粉以及温度监测等。由于RP技术在应用上遇到的瓶颈,Trumph公司虽然已经拥有专业的SLM设备以及大量的SLM方面的专利技术,但是该技术一度被公司雪藏,直到2015年Trumph公司重新推出小尺寸的新型SLM设备。Concept-Laser公司把SLM设备与其他的激光加工工艺结合,推出多功能的激光加工设备,而且最早推出大尺寸的SLM设备。EOS公司则在RP技术的发展过程中,把SLS发展成为SLM,设备也发展的具有模块化、耐用、易操作等特点,而且对于可加工的材料采用固定参数,使该公司的设备更加适合工业应用。

优势:从SLM与LENS对比看优缺点

一项技术的优缺点只有通过对比才能发现,我们这里可以对两种金属零件制造技术SLM和LENS(激光熔覆成形)技术进行详细对比,由此说明它们的优缺点。两项技术均为RP技术,它们的共同特点,一是被加工材料均为单组元粉末材料,在加工过程中金属粉末完全熔化,熔化的粉末快速凝固成致密度为100%的金属模型或者零件。二是两种技术都可以通过工艺调整做到少缺陷或者无缺陷,都可以通过工艺参数甚至后处理调节成形件的性能。LENS技术制成的模型或者零件的微观组织中缺陷很少,致密度可达100%,其成形件的疲劳强度高于相应铸件以及锻件的疲劳强度。

两种技术的区别在于SLM技术是基于粉末床的RP技术,而LENS技术是基于局域送粉的RP技术。两种技术均可以加工大部分金属材料如不锈钢、工具钢、热工钢、钛及钛合金、铝合金、钴铬合金、镍基合金等工程材料;对于LENS技术来说,使用的材料不仅包括上述材料,还可以扩展到陶瓷以及复合材料。SLM技术目前适合加工尺寸较小(成形室尺寸在不断扩大)、形状复杂、要求精密的零件;LENS技术适合制造形状简单、复杂度低、尺寸较大的零件。

应该说两种技术各有优缺点,任何技术都不是万能的,都是有适合加工的零件,也有不适合加工的零件。所以不能对任意一种技术期待太高,同时也应该根据每一种技术的特点来发展其应用潜力。

应用:SLM在医疗、工业领域的应用潜力巨大

SLM技术发展到目前为止,可以确定的说在医疗以及航空航天领域的应用潜力是非常巨大的,成功案例在逐渐增加,相关的研究向更加深入、广泛的方向发展。德国是这个领域的创始者,2013年他们确定的SLM的未来应用目标除医疗以及航空航天领域外,还包括模具(特别是随行冷却模具)、汽车制造以及其他工业领域。当然德国确定的应用目标是为他们自己的工业量身定做的,我们可以根据自己的工业水平以及优势来确定自己的发展目标。

由于我研究的方向之一是SLM在航空航天领域的应用,我着重说说。首先SLM技术非常适合航空航天领域的应用,因为这个领域的零部件都具有单件、小批量生产的特点。其次SLM技术在轻量化设计与制造、免组装零部件的制造方面具有很大的优势,而这些优势均为航空航天零部件在设计制造中追求的目标。

航空航天零部件的轻量化设计制造我们很容易理解,如果轻量化与特定功能如冷却、减震、梯度功能等相结合,那么这是其他技术无法比拟的。

免组装零部件采用树脂和高分子材料已经能够实现复杂零件的制造,并在向更加复杂结构的方向发展,采用SLM技术制造免组装零部件目前有一定的难度,相信随着人们对SLM技术掌握程度的提高,一定能够实现。

差距:我国SLM研究水平仍处于追赶状态

2012年奥巴马政府把3D打印技术列入“美国先进制造业国家战略计划”后,全球都非常关注SLM技术。在此之前,美国、德国、日本等工业发达国家一直没有停止在SLM技术领域的研发,只是这项技术与其他在应用上遇到瓶颈的技术一样,在慢慢的进步,等待“化蛹成蝶”一刻的到来。

在这个时间段,我国在SLM领域的研究还方兴未艾,只有华南理工、华中科技大学等研究机构在进行相关研究。2012年之后,我国也开始重视RP以及SLM技术的发展,在SLM方面的研究如雨后春笋多了起来。但是,我国在SLM方面的研究水平总体上来讲处于追赶状态,不管是在工艺方面还是在设备、材料等方面都与世界水平有一些差距。但是这些差距同时也是动力催促我们缩小这一差距,赶超世界先进水平。这是我们科研工作者的使命。

结语:对SLM技术,同行还须有信心、耐心

张冬云博士的研究工作并没有局限在SLM技术在航空航天领域的应用上,近年来,她对SLM技术在医疗领域的应用也有所涉猎,先后发表过《Effect of standard heat treatment on the microstructure and mechanical properties of selective laser melting manufactured Inconel 718 superalloy》、《激光熔覆成形过程中温度场演化的三维数值模拟》、《3D打印钴铬合金烤瓷牙内胆的性能研究》等论文,还参与了北京市科委科技计划项目“3D打印肿瘤医疗导板大型成型装备及检测设备工程样机研制”、“口腔种植及修复3D打印钛基合金、钴基合金制备和选区激光熔化装备研制”等项目研究。也许大家还可以期待一下我们《3D打印商情》就医疗3D打印对张冬云博士进行专访……

在采访的最后,张冬云博士特地通过《3D打印商情》对同行以及后来的研究人员说:“SLM技术具有非常大的应用潜力,我们应该对SLM技术充满信心,同时也应该有耐心,任何一项技术的应用都需要漫长的等待。不能光期待SLM技术带来的制造业上的变革,而不给它时间。但是也应该看到,SLM技术的进步不是取代传统产业,而是为制造业增加了一个新的手段、增加了一种可能,这种可能是传统零部件的制造方法不具备的。”