金屬3D打印作為3D打印技術(shù)中發(fā)展最快的一個(gè)部分，其打印設(shè)備的銷量將在下一個(gè)十年增長(zhǎng)48%，金屬材料也將達(dá)到32%的增長(zhǎng)率。隨著設(shè)備價(jià)格的降低，應(yīng)用金屬3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)將會(huì)越來(lái)越多。為此，OFweek3D打印網(wǎng)編輯獨(dú)家專訪了天津清研智束科技有限公司常務(wù)副總經(jīng)理郭超博士，一起探討金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。
天津清研智束科技有限公司常務(wù)副總經(jīng)理郭超博士
天津清研智束科技有限公司作為一家初創(chuàng)公司，依托清華大學(xué)天津高端裝備研究院進(jìn)行技術(shù)產(chǎn)業(yè)化而創(chuàng)立，在3D打印領(lǐng)域有哪些核心技術(shù)？
郭超：我們的核心技術(shù)是粉床式電子束3D打印，它是以電子束作為熱源，在粉床上通過(guò)逐層熔化金屬粉末來(lái)構(gòu)建3D實(shí)體。全球最早將粉床式電子束金屬3D打印技術(shù)商業(yè)化的企業(yè)是瑞典的Arcam AB公司。我們的技術(shù)來(lái)源于清華大學(xué)機(jī)械工程系，是國(guó)內(nèi)最早研究該技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。
電子束3D打印非常有特點(diǎn)，有些激光3D打印做不了的，電子束就可以做。比如對(duì)于激光有高反射率的金屬、脆性金屬，電子束打印的效果要優(yōu)于激光。為此，我們大概從2000年就開(kāi)始跟蹤這項(xiàng)技術(shù)，積累了很多相關(guān)專利，比如獲得了國(guó)內(nèi)最早的粉床式電子束金屬3D打印專利。同時(shí)，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)新材料的樣機(jī)，也是我們團(tuán)隊(duì)做出來(lái)的。從去年開(kāi)始，依托清華大學(xué)的技術(shù)積累，我們希望將該樣機(jī)從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)變成為商業(yè)化的產(chǎn)品。
本次展會(huì)中，清研智束科技主要展示的產(chǎn)品有哪些？和同類型產(chǎn)品相比，有何特色？
郭超：目前，我們的電子束3D打印設(shè)備QbeamLab已經(jīng)可以接受訂貨。我們都知道，金屬3D打印主要有兩種熱源，一種是激光，另一種就是電子束。其中激光熱源使用的比較多，但是電子束熱源功率可以達(dá)到更高水平，大部分能量可以被材料吸收，吸收率達(dá)90%甚至更高，因此打印效率更高，一般是激光3D打印設(shè)備的2到5倍；另外，電子束3D打印流程更短，整體打印溫度更高，打印出來(lái)的結(jié)構(gòu)組織同時(shí)經(jīng)過(guò)熱處理，不需要后續(xù)熱處理過(guò)程；另一方面，電子束3D打印可在真空環(huán)境進(jìn)行，可以最大限度保護(hù)材料不被污染，甚至有提純作用。綜合而言，激光和電子束3D打印各具優(yōu)勢(shì)，誰(shuí)也無(wú)法取代對(duì)方。
基于電子束3D打印的諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，我們的設(shè)備QbeamLab也做了很多創(chuàng)新或改進(jìn)，以適應(yīng)柔性化制造的需求。首先是采用主動(dòng)式送粉方式，對(duì)于粉末流動(dòng)性要求不高，并且粉末利用率大大提升，只需要1到2公斤粉末設(shè)備就可以運(yùn)轉(zhuǎn)，更利于金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用普及。另外，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)大大增加了設(shè)備柔性，例如粉末模塊可整體替換，方便粉末更換和清理，大大提升了設(shè)備的使用效率。第三方面是軟件技術(shù)，我們的軟件完全自主研發(fā)，并做了整合優(yōu)化。設(shè)備可直接讀取三維STL文件，邊切片邊打印。另外我們的軟件中還內(nèi)置了強(qiáng)大的路徑規(guī)劃與能量控制引擎，使得材料工藝開(kāi)發(fā)更加便捷，增強(qiáng)了設(shè)備效率及柔性。柔性制造，也是金屬3D打印設(shè)備未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。
隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，越來(lái)越多廠商開(kāi)始關(guān)注金屬3D打印。目前國(guó)內(nèi)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何？實(shí)際應(yīng)用情況怎樣？
郭超：根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前國(guó)內(nèi)有30多家金屬3D打印設(shè)備企業(yè)，其中幾乎都是是做激光3D打印方面的。雖然跟國(guó)際水平仍有差距，但國(guó)內(nèi)金屬3D打印正處于快速發(fā)展階段，整體水平也在逐步提升。
目前金屬3D打印在醫(yī)療、模具以及航空航天方面都取得了實(shí)際應(yīng)用，但是應(yīng)用水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，規(guī)模效應(yīng)還未形成。這其中最主要的原因是設(shè)計(jì)師的欠缺，目前大部分設(shè)計(jì)師沒(méi)有接受過(guò)3D打印教育和系統(tǒng)培訓(xùn)，其設(shè)計(jì)思路還是按照傳統(tǒng)的鑄造或鍛造方法，從而限制了3D打印的發(fā)展。因此，金屬3D打印產(chǎn)業(yè)要真正發(fā)展起來(lái)，首先設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要發(fā)展起來(lái)。
相對(duì)于其他打印方式，金屬3D打印主要有哪些難點(diǎn)？目前主流的金屬3D打印技術(shù)主要有哪些？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？
郭超：金屬3D打印需要克服的難點(diǎn)一個(gè)是高溫，因?yàn)榻饘俨牧先埸c(diǎn)較高；另一個(gè)就是高應(yīng)力，因?yàn)榻饘俨牧峡焖倮鋮s凝固過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力很大；除此之外，組織及性能控制方面也是一大難點(diǎn)，因?yàn)榻饘?D打印部件是要直接使用的，不像非金屬材料模型，而一旦使用就涉及到部件的機(jī)械強(qiáng)度。需要控制好微觀組織，才能達(dá)到力學(xué)性能要求，最終才能實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用。
目前主流的金屬3D打印技術(shù)大體可分為兩類，一類是噴粉或熔絲方式，另一類是基于粉床方式。前者適合打印一些大型構(gòu)件，甚至可達(dá)十幾米，但是打印細(xì)微特征就難以勝任。后者更加適合打印一些精細(xì)結(jié)構(gòu)，比如多孔或網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，但在尺寸方面就相對(duì)會(huì)有所限制。
近些年，金屬3D打印逐漸滿足了小批量生產(chǎn)生產(chǎn)需求。目前金屬3D打印主要應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？未來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)還有哪些難題待解？
郭超：3D打印更適合于個(gè)性化定制、小批量的生產(chǎn)，如果零件形狀固定，只是復(fù)制生產(chǎn)，3D打印就沒(méi)有優(yōu)勢(shì)了。我認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)3D打印大規(guī)模批量生產(chǎn)主要難題還是在設(shè)計(jì)方面。設(shè)計(jì)方面現(xiàn)狀不改變的話，3D打印應(yīng)用就找不到其真正的價(jià)值。
另一個(gè)方面就是材料難題，如果我們可以研發(fā)一些新材料，使得3D打印效果優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。比如鈦鋁基合金的葉片，用傳統(tǒng)方法加工容易產(chǎn)生裂痕，而用電子束3D打印成功率會(huì)很高，這樣就可以實(shí)現(xiàn)3D打印批量化生產(chǎn)。
目前，清研智束科技主要提供哪些服務(wù)？在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)進(jìn)展如何？未來(lái)在3D打印方面重點(diǎn)發(fā)展的方向是什么？
郭超：目前我們除了自己研發(fā)設(shè)備，同時(shí)也為應(yīng)用端提供專業(yè)的打印服務(wù)，主要面向醫(yī)療和航空航天方面應(yīng)用，比如和621所合作進(jìn)行鈦合金3D打印研究等。未來(lái)我們的重點(diǎn)研發(fā)方向是醫(yī)療應(yīng)用，目前我們團(tuán)隊(duì)也承擔(dān)了一項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目目前已經(jīng)立項(xiàng)，由北醫(yī)三院牽頭，參與單位還包括北京大學(xué)、北大人民醫(yī)院、愛(ài)康醫(yī)療器械公司。我們主要是作為設(shè)備和解決方案提供商參與其中，項(xiàng)目執(zhí)行期為四年。該項(xiàng)目要求非常高，針對(duì)個(gè)性化手術(shù)需求，要求3D打印設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間不能超過(guò)72小時(shí)，而且在項(xiàng)目完結(jié)之前，需要完成50例相關(guān)手術(shù)。我們將以此為契機(jī)，將自主研發(fā)的金屬3D打印設(shè)備帶入醫(yī)療行業(yè)，為和每個(gè)人息息相關(guān)的健康領(lǐng)域，做出自己的價(jià)值和貢獻(xiàn)。