“千人計(jì)劃”激光器專家王穎：激光技術(shù)對(duì)3D打印的影響
王穎，國(guó)家“千人計(jì)劃”專家、中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所研究員，紐敦光電科技（上海）有限公司董事長(zhǎng)
國(guó)家“千人計(jì)劃”專家王穎博士長(zhǎng)期從事新一代大功率激光器的產(chǎn)業(yè)化以及新型激光器的研發(fā)，對(duì)激光3D技術(shù)有深入的見解和體會(huì)。近期，《千人》雜志就激光技術(shù)對(duì)3D打印的影響，對(duì)王穎博士進(jìn)行了專訪。
激光器助力高端3D打印
問(wèn)：作為21世紀(jì)發(fā)展極具發(fā)展前途的新技術(shù)之一，各國(guó)政府和工業(yè)部門都非常重視激光技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)在3D打印產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀如何？在3D打印產(chǎn)業(yè)中又處于怎樣的地位？
王穎：激光技術(shù)主要用于金屬或陶瓷材料的3D打印。盡管其他的3D打印也可以利用激光技術(shù)，但成本太高，因此只有在特定的情況下才會(huì)使用激光源。在金屬和陶瓷類的高端3D打印中，激光器現(xiàn)在是最合適的能源。由于其非接觸式的特點(diǎn)以及功率可控和穩(wěn)定性，激光已經(jīng)被認(rèn)為是3D打印中不可或缺的手段。
激光技術(shù)在3D打印產(chǎn)業(yè)中現(xiàn)在處于發(fā)展的上升階段。在這個(gè)階段中，對(duì)用戶影響最大的是目前激光器的價(jià)格。新一代的激光技術(shù)包括光纖激光和半導(dǎo)體激光，新一代激光器件的最大優(yōu)勢(shì)是電光轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)40-50%，可通過(guò)光纖傳輸，不需要后期維護(hù)等。盡管最近幾年新一代激光器的成本大大地下降了，相比其他3D打印設(shè)備中的器件來(lái)說(shuō)，成本仍然是最高的，甚至達(dá)到60%以上，這從某種角度上限制了高端3D打印的廣泛發(fā)展。
問(wèn)：3D打印技術(shù)包括3DP技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平板印刷技術(shù)、UV紫外線成型技術(shù)等多種技術(shù)，與這些技術(shù)相比，激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在哪？
王穎：3DP技術(shù)使用粉末材料，如陶瓷，金屬，塑料粉末等，通過(guò)鋪粉，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后通過(guò)層層鋪粉、噴涂、粘接的過(guò)程，疊加打印出零件。熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過(guò)一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出，沉積，冷卻固化，通過(guò)材料的層層堆積形成最終成品。SLA即光固化技術(shù)是最早發(fā)展起來(lái)的快速成型技術(shù)，也是目前研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成型技術(shù)之一。光固化技術(shù)，主要使用光敏樹脂為材料，通過(guò)紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。這些技術(shù)都不需要激光的參與。
激光應(yīng)用的3D打印技術(shù)主要有兩種，一個(gè)是所謂選擇性激光燒結(jié)（Selecting Laser Sintering, SLS），本技術(shù)利用粉末材料在激光照射下熔融燒結(jié)的原理，由計(jì)算機(jī)控制層層堆結(jié)成型，原理與3DP類似，只是把膠換成了激光。由于激光掃描的局限性，目前這個(gè)方法比較適合做較小的零件。另一種激光3D打印的技術(shù)是直接粉末堆積方法，通過(guò)機(jī)械臂或多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，將激光在預(yù)定軌跡上掃過(guò)，同時(shí)將粉末直接輸送到焦點(diǎn)進(jìn)行熔化堆積成型。這種方法可以用來(lái)打印很大的工件。理論上沒(méi)有尺寸限制。相比SLS方法，激光光斑稍大，因此產(chǎn)品光潔度一般低一些。
未來(lái)核心：提高光學(xué)質(zhì)量 創(chuàng)新工藝技術(shù)
問(wèn)：近年來(lái)，激光技術(shù)已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如航空航天領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域，材料加工領(lǐng)域等，與在3D打印產(chǎn)業(yè)運(yùn)用中相比存在哪些差距？造成差距的原因是什么？
王穎：激光在航空航天領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域，材料加工領(lǐng)域早已得到了廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用也在不斷發(fā)展和更新中。新的激光技術(shù)往往會(huì)引起各領(lǐng)域的一些改變。3D打印相比之下還剛剛起步，這是造成差距的原因之一。另一方面，3D打印本身還有待成熟，如金屬材料的打印方面，材料，工藝，打印對(duì)象等多為定制型，設(shè)備通用性不夠，這也是目前發(fā)展的限制因素之一。
問(wèn)：3D打印行業(yè)中的激光技術(shù)剛剛起步，目前面臨哪些技術(shù)局限？您覺(jué)得我國(guó)的激光技術(shù)能應(yīng)該如何突破這些局限？
王穎：激光3D打印主要還是集中在金屬材料的應(yīng)用上，如何取得高精度和避免二次加工是是激光3D打印亟待突破的技術(shù)限制。
要突破這個(gè)限制，如何進(jìn)一步提高光學(xué)質(zhì)量，尤其是高功率激光的光學(xué)質(zhì)量是努力的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)高光束質(zhì)量的激光器現(xiàn)在已可以比較容易小規(guī)模實(shí)現(xiàn)，光斑已經(jīng)可以做到波長(zhǎng)量級(jí)，但成本還比較高。另外打印的質(zhì)量往往和工藝有關(guān)。粉末技術(shù)是個(gè)比較重要的因素。超細(xì)的粉末如何準(zhǔn)確穩(wěn)定輸送也是個(gè)工藝上的問(wèn)題。因此實(shí)現(xiàn)高精度打印，需要開發(fā)出新的工藝技術(shù)。另外，當(dāng)制作精度提高后，打印速度就會(huì)受到較大影響。3D打印的速度和精度的平衡也是一個(gè)課題，過(guò)慢的打印速度所帶來(lái)的成本也會(huì)限制技術(shù)的普及。我國(guó)的新一代激光功率和光學(xué)質(zhì)量有待提高。國(guó)家應(yīng)該對(duì)國(guó)內(nèi)的關(guān)鍵核心技術(shù)加以評(píng)估和梳理，并對(duì)這些技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展給予支持。工藝研發(fā)和關(guān)鍵器件的自主生產(chǎn)可以突破激光技術(shù)的瓶頸，成本的進(jìn)一步下降對(duì)3D產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)將會(huì)有較大的幫助。
關(guān)于降低成本，我曾提過(guò)“激光參數(shù)的選擇對(duì)打印成本有關(guān)鍵的作用，激光器的選擇對(duì)3D打印的結(jié)果也起到關(guān)鍵的作用”。激光參數(shù)包括光斑尺寸，光斑分布均勻度，波長(zhǎng)，功率等等。這些需要綜合考慮，并根據(jù)要完成的工作進(jìn)行優(yōu)化。不了解激光技術(shù)的用戶，如果選錯(cuò)了系統(tǒng)，對(duì)項(xiàng)目的順利進(jìn)行會(huì)有影響。輕則過(guò)多的花費(fèi)資金買了超出要求的激光系統(tǒng)，重則引起項(xiàng)目失敗而并不知道其實(shí)可以成功。比如同樣的功率，均勻分布的光斑和正態(tài)分布的光斑取得的效果可能是不同的。問(wèn)：目前激光主要應(yīng)用于金屬3D打印，您曾說(shuō)過(guò)“激光技術(shù)用于局部修復(fù)或許是金屬3D打印推動(dòng)的突破口之一”，激光技術(shù)用于局部修復(fù)的運(yùn)用現(xiàn)狀如何？
王穎：目前金屬3D打印的推廣尚有段路要走。一是因?yàn)槌杀颈容^高，設(shè)備和粉末都不便宜，另外工藝不像打塑料玩具那樣簡(jiǎn)單和要求低，用于普通零件生產(chǎn)不夠經(jīng)濟(jì)。對(duì)高端制造，如航天航空領(lǐng)域，單件制造應(yīng)該就需要全檢而不是抽檢，缺陷的全面檢查會(huì)進(jìn)一步增加成本。改變工藝，優(yōu)化生產(chǎn)，減低成本都會(huì)需要些時(shí)間。相比之下，利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行局部修復(fù)是合適的。因此這可以是個(gè)突破口，可以把市場(chǎng)應(yīng)用引領(lǐng)起來(lái)。目前激光技術(shù)用于修復(fù)也還在普及中。最近我們和客戶開發(fā)的便攜式激光修復(fù)設(shè)備就是這方面的一項(xiàng)努力。
問(wèn)：目前激光技術(shù)用于局部修復(fù)的市場(chǎng)規(guī)模如何？面臨哪些困境？該如何解決？
王穎：局部修復(fù)市場(chǎng)有數(shù)億之巨。面臨的問(wèn)題一是設(shè)備的價(jià)格，二是粉末技術(shù)和來(lái)源，另外就是工藝的問(wèn)題。修復(fù)對(duì)環(huán)保和產(chǎn)品升級(jí)都是重要的，國(guó)家在這方面應(yīng)該給企業(yè)鼓勵(lì)來(lái)使用這項(xiàng)技術(shù)。用戶多了，設(shè)備成本也就下來(lái)了，可以良性循環(huán)。3D打印的產(chǎn)業(yè)中激光技術(shù)僅是數(shù)個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素中技術(shù)因素中的一個(gè)方面而已，但可以在激光技術(shù)本身做些工作，優(yōu)化激光器來(lái)提高打印的光潔度和打印效果。
中國(guó)布局：從市場(chǎng)出發(fā) 深度融合
問(wèn)：在全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇的大背景下，激光技術(shù)為什么在制造業(yè)大受青睞？對(duì)于制造業(yè)的戰(zhàn)略意義是什么？
王穎：激光加工具有能量易控制、加工結(jié)果一致性好等優(yōu)點(diǎn)，常常取得傳統(tǒng)加工做不到的結(jié)果。與其他很多方法不同的是，激光加工為非接觸性加工。另外，從節(jié)能環(huán)保上看，新一代激光器的電效率為傳統(tǒng)激光的十多倍，電耗因此大大減小, 是節(jié)約資源的先進(jìn)制造、再制造的基礎(chǔ)，新型激光器由于成品率高和運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用低，可以很快收回投資。激光技術(shù)在制造業(yè)中“大行其道”，既是國(guó)際上的趨勢(shì)，也是國(guó)家高端裝備制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃的內(nèi)容。
問(wèn)：目前我國(guó)3D打印中的激光技術(shù)研發(fā)處于什么階段？
王穎：3D打印中的激光技術(shù)在國(guó)內(nèi)相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)已經(jīng)不落后。生產(chǎn)規(guī)模成本控制是目前努力的目標(biāo)。在新一代激光器方面，國(guó)內(nèi)已有一些核心技術(shù)，但由于3D打印市場(chǎng)目前還在起步階段，并沒(méi)有比較成熟的普及設(shè)備，還沒(méi)有專門針對(duì)3D打印的批量化激光器的產(chǎn)品線。
問(wèn)：近年來(lái)我國(guó)的激光3D打印技術(shù)在不斷地在發(fā)展，但從總體上看，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距，造成差距的原因是什么？
王穎：中國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展還是較快的，對(duì)于非激光類的3D打印技術(shù)，入門的門檻比較低，設(shè)備成本也較低，因此國(guó)內(nèi)已有大量的公司在進(jìn)行這方面的研發(fā)推廣。相比國(guó)外來(lái)說(shuō)，這類技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步并不晚，但是在軟件技術(shù)、數(shù)控，尤其是材料方面較為落后。粉末材料和打印樹脂等都還沒(méi)有好的企業(yè)支撐。這與國(guó)內(nèi)高分子材料一貫的落后局面是有關(guān)系的。激光3D打印方面，國(guó)內(nèi)的粉末技術(shù)也是落后的，但各種粉末的制備都有些公司在進(jìn)行，質(zhì)量也在不斷提升。在光源方面，國(guó)內(nèi)的激光技術(shù)基本上和國(guó)外同步了。國(guó)內(nèi)金屬打印工藝則已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，打印的大零件已可達(dá)到鍛造的水平，但目前金屬打印還非常不普遍。
問(wèn)：在您看來(lái)，激光3D打印的發(fā)展前景如何？我國(guó)應(yīng)該如何布局？
王穎：3D打印有著光明的前景，可以說(shuō)是個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。隨著器件的進(jìn)步和工藝的發(fā)展，必然能普及開來(lái)。激光3D打印從布局上還是應(yīng)該從市場(chǎng)出發(fā)。塑料3D打印在模具和設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到了很多應(yīng)用，低端的娛樂(lè)打印技術(shù)也找到了許多市場(chǎng)的立足點(diǎn)。金屬3D打印與前面這些有所不同的地方在于其成本精度都還不能超過(guò)傳統(tǒng)加工，盡管這項(xiàng)技術(shù)可以在一些特別零件和特別情況下有獨(dú)特之處。在這個(gè)問(wèn)題沒(méi)解決前，把金屬3D打印和傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合是個(gè)較好的起點(diǎn)。國(guó)家的導(dǎo)向和支持可以通過(guò)普及技術(shù)來(lái)促動(dòng)發(fā)展速度。
問(wèn)：激光技術(shù)在3D打印產(chǎn)業(yè)中的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如何？
王穎：激光作為一個(gè)先進(jìn)制造技術(shù)中的關(guān)鍵器件來(lái)說(shuō)，其起到的作用是提供高功率密度的能量。從這個(gè)角度看，激光技術(shù)的在3D打印產(chǎn)業(yè)中變得越來(lái)越重要是必然的。如何把能量準(zhǔn)確地、有效地、按需求地送到指定的位置就對(duì)激光器的發(fā)展提出了更高的要求。因此3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展也會(huì)推動(dòng)激光技術(shù)的性能和成本向有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向改變。
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