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西安铂力特(超500员工),王佳骏报告“创新设计与金属增材制造”

发布日期:2019/10/10提交公众号

2019年9月19-21日,IAME中国(西安)国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技创新的开放合作共享交流平台,汇聚全球顶尖的增材制造(3D打印)领域成果及人才,促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体,到西安现场全程报道。



在2019年9 月 20 日“增材制造技术与航空航天论坛”上,西安铂力特增材技术股份有限公司项目技术总监王佳骏做了主题的主题是《创新设计与金属增材制造》的报告。

下面是现场速记:

各位老师、各位专家,大家好!
非常高兴铂力特作为参会单位参加这个论坛,今天我分享增材制造和创新设计的报告。

然后,今天我的报告主题分四个方面,首先简单介绍一下铂力特,后面主要从三个方面跟各位专家、老师讨论一下创新设计和增材制造一些关系,以及工程应用和展望。

首先简单介绍一下铂力特,我们的技术研究开始于1995年,铂力特公司成立于2011年,这几年,在产业同仁的共同努力下,增材制造产业发生了巨大发展在这种大形势下,铂力特也实现了跨越式的发展,2014年,我们自主知识产权SLM工艺设备正式面市,2017年获得了全球首届3D打印OEM大奖,2018年,我们作为空客的3D打印供应商,参与了相关项目的研制,在2019年的7月份,我们作为科创板首批25家公开发行股票的公司之一,正式登陆科创板。

公司目前有500余人,主营业务覆盖了金属3D打印的全产业链,包括设备、原材料和前端的设计、后端的检验检测,还有金属3D打印周边一些辐射的业务链。从打印的材料来说,目前铂力特在做基础的金属3D打印材料打印参数的研发,包括钛合金、铝合金、高温合金、不锈钢、铜合金、钨合金等,还有很多难加工金属。

设备序列中面向不同细分应用市场,铂力特构建了比较成熟的设备体系,包括面向高精度的教育、医疗,面向于需要低成本化生产的模具行业,面向航空航天的高稳定性高质量要求的行业;另外,铂力特构建了自己的大尺寸加工能力序列,包括BLT-S500、BLT-S600,也是目前在国际上具有竞争能力的大尺寸的SLM工艺设备。铂力特也有LSF工艺和WAAM工艺的增材设备。

从整个后端检测检验来说,铂力特的检测业务不仅包括了单纯的无损检测,还包括性能检测, ,后处理方面的线切割、热等静压等也可以在公司内部完成,这些配套设备和服务都是为了更好的服务我们的用户,更好地推动增材制造的产业发展。

下面就进入这个报告的主题——增材制造技术与创新设计、应用导向。

先做一个简单的介绍,因为在座专家对3D打印技术都比较了解,这边就不做赘述了,我们理解3D打印对真正的设计端的影响,其优势就在于可以构建多尺度,3D打印的加工原理很容易理解,就是基于离散和堆积的原理,先微分再积分,所以我们可以把粉末离散成非常细小的结构,逐点、逐层、逐面、逐线加工起来,传统的剪裁制造来说,这个加工难度比较大,加工需要受限于我们的机械结构、或者一些模具的影响。

那么,金属增材制造作为目前众多3D打印材料成形方式的一种主流分类,对比其他材料的增材制造方式,也具有新的挑战。金属是航空航天或者工业领域主要应用的材料,航空航天领域对金属零件的质量要求更高,同时因为金属增材制造是一个复杂的热加工过程,所以工艺难度也会更大。但是,更大的工艺难度也给金属3D打印应用带来更高的潜在价值,我们则一直致力于把金属增材制造潜在价值真正挖掘出来。



△南极熊配图:3D打印的钛合金拓扑优化金属零件,使用铂力特的BLT-S300 金属机打印了26个小时

毫无疑问,前端设计就是一个非常关键的先导段,增材制造的技术,包括修复和再制造,具有以下特点和优势:无模具化、快速迭代、快速验证、快速制造,这些优势也支撑了增材制造的整体发展技术脉络。早期增材制造主要面向的新产品科技研发,,验证一些装备配件、验证一些结构的成熟性。

后来发展来看,医疗领域的用户开始应用增材制造做个性化的定制,包括我们的文创领域,包括有一些单件小批量的生产,国内增材制造发展到2014年、2015年,很多用户已经通过增材制造的技术验证,增材制造这个技术是可靠的,可以用来做代替加工,代替传统复杂难加工的零部件的加工,所以,大量的应用始于这个节点,很多的用户开始用增材制造做传统难加工的结构,这个案例可以说层出不穷,今天很多专家跟各位分享了增材制造,展示的非常巧妙的的应用案例,或者非常有价值的应用案例,这边就不逐个解释了。

另外,高性能修复也是增材制造发展路线上,逐渐被人们所熟知和应用的技术,通过高性能的修复,通过很小的成本挽救原始价值很大的零部件,比如说一些零部件、计加工损伤的、一些铸造的钢和铁的缺陷等等。

增材制造面向国内的应用是始于替代式加工,面向国外的应用,我们看到不管是GE、空客,还有洛马等等,一开始用增材制造,有一个重要的用户导向就是最优化设计、提升产品的性能,不管是从航空航天或者汽车领域、或者是工业领域,是从追求轻量化来说,还是从一些功能构件的考虑,提高流动效率和热管理等等,还有医疗上考虑的生物能量等等,这一系列的导向性就是怎么样通过设计来提升,毫无疑问,真正让3 D打印技术这么倍受各位专家、学者关注,最优化设计、提升产品性能是非常重要的一个价值点。

从多尺度结构来讲,其实咱们自然界多尺度的结构来源,很多都有自然界的衍生规律,包括人体的骨骼结构,我们从微观到宏观,它这个结构是显著不同,包括飞行器的概念,是来源于我们的飞禽,还有一些建筑结构是来源于大自然的树木或者树叶的叶脉等等,可以说大自然给我们很多启示,大自然本身所有生物的构成就是一个生长的过程。所以,增材制造的客观规律和大自然的生长规律是高度一致的,毫无疑问,通过增材制造可以更有效的体现我们多尺度结构的概念,应该说目前除了增材制造技术,没有第二种加工技术,可以这么高度适合来实现多尺度结构的构件。

第二部分简单讨论一下增材制造技术与产品设计创新,我们的一些思考和联系。

首先,我相信作为产品设计者,作为一个产品的开发者,产品设计的导向性就是我们想设计出来最优的结构,包括如何降低我们一些产品的能耗,提升我们产品的竞争力,最终想把产品推向市场、面向市场,去和用户做更紧密的联系。那么,从产品的优化推进来说,主要包括了结构、材料和工艺,每个端口我们设计者都在付出很大的努力。比如说从材料端,毫无疑问,航空航天领域流传一句话,就是一代材料决定一代装备,材料的发展支撑我们装备的发展。

那么,作为我们结构来说,结构轻量化是设计者价值最终体现的一个地方,同一个方案,不同设计者面对设计书时,会有不同的理解、有不同的设计输出,不同的设计输出就有不同的产品性能优劣之分,通过优劣的逐步验证、逐步迭代,才可以推进零部件一步、一步去发展、去成熟。

第三点就是我们的工业端,从咱们早期材料加工的发展历史来说,包括热加工、铸造焊、包括后面的3D打印,冷加工像很多常用的冷加工技术等等,现在可以说我们能应用的加工技术,基本上一个成熟的设计师或者比较熟悉的工业员都可以列举出来。所以来是,我们可以看出来从材料、工艺和结构端做工作,相对来说,结构端是设计者最容易推动的一个方向。

从加工历史发展来说,我们可以追溯到很早的时候,石器时代我们只有简单的工艺、简单的结构,这个结构就实现一个简单的功能,后面我们有复杂的工艺,我们可以用一些复杂的结构实现复杂的功能,3D打印现在告诉我们,从简单的工艺可以实现复杂结构,这个复杂结构实现复杂的功能,最终一代、一代设计者做努力,我们就是想通过一个简单的工艺、用更简单的结合实现更复杂的功能,这个可以说我们设计界的一个愿景。

从刚才的思考,我们可以讨论这两个问题,就是一个设计者单纯从材料和工艺端来推动,我们想获得的变革,可能难度是比较大,因为这个材料的变革就是很局限的,比如说像我们钛合金,面市以来基本上30、40年,现在还是作为我们钛合金的主流牌号在使用,可见整个材料的发展,很难呈现一个突飞猛进或者一个跨越式的发展,还是循序渐进的发展。

工业端也一样,这些年这些工艺技术也就那么多,相对来说,从结构端来讲设计人员容易做这个工作,毫无疑问,我们设计人员考虑产品设计的时候,优化工作是非常重要的一个组成部分,但是我们如果要面临增材制造,或者我们有的零部件要做增材制造的话,毫无疑问,这个工作势在必行,为什么呢?如果我们还在传统设计路线上做工作,第一个我们产品的功能性往往达不到一个最优化,很多首先要受到传统加工技术的制约。

第二点,增材制造现在成本还是偏高,怎么样通过这个增材制造的一些逻辑控制成本,这个就很关键,增材制造不再像传统加工技术,我这个零件越复杂,模具就很难开,要上多轴机床,工时费也会相应提高等等,使用传统加工技术的话,零件越复杂成本越高。影响使用增材制造技术加工的零件的成本的主要就是两个因素,一个是零件的质量,一个是零件的加工时间,毫无疑问,如果我们可以通过一些设计方法的迭代、设计手段的介入,把这个零件做得更轻,就可以节约很大的成本,也会节省加工时间。

综合来说,我们用增材制造可以解决成本的问题,最终降低复杂零件成形的成本。

我们把增材制造当成一个设计和工业耦合的系统去理解,不单单是把它割裂成一个工艺端的事情,还是像传统设计工艺流程一样,设计人员完成图纸、模型的建立之后,下图给工艺端,工艺端根据图纸制定工艺流程,最后把这个零件制作出来,如果中间有一些问题,工艺人员要反馈给设计人员,要做设计更改,但是设计人员在这么冗长的一个工艺流程下,很难做到每一步工艺流程他都是非常熟悉的,这个交流代价是非常大的,3D打印就显著忽略了设计和工艺的界限,能把设计和工艺很好的融合,如果设计人员可以充分了解增材制造的价值和增材制造一些设计的规范,设计完之后由数模驱动就可以打印,可以非常快速的提高设计的流程,用增材制造发挥它应有的价值,而不是为了增材制造而增材制造。

在理念端理解就是,我们怎么样转变为设计引导制造,把功能最优化放在第一位,通过一些最优化设计的方法,通过一些仿真工具的介入,来帮助我们设计者更好的实现更轻、更强的、更具功能性的零部件。

很简单的一个案例,一个典型的零部件,在增材制造技术介入时,我们往往考虑几个问题:能不能打,怎么样适合打,怎么提升打印价值。我们规划了一个流程,这个素材来源是来源于一个公司的简单案例,整个的流程,我们觉得使用增材制造可以很好的跟结构优化相结合,包括可行应用和评估,包括整个设计端怎么样基于一些增材制造特有的优势,来做一些设计,完成工艺链条的处理,做这些工作目的肯定要有结果实践的。通过设计的介入、设计方法的计算,他可以获得相当大的收益,这一点就是我们增材制造考虑设计优化的一个价值点,并不是说我们直接拿一个零部件,3D打印出来,就体现3D打印的价值,3D打印被赋能端就是前端的设计端。

还有点阵结构,现在应用越来越多了,包括用点阵结构做一些填充结构的替换等等,我们使用很简单的点阵结构,做成一个很高效的结构,就是说已经近似实现结构设计端的核心诉求,实现强度、承重等性能要求,把重量的冗余降到最低,把每克材料都用在该用的地方。点阵结构或者说点阵的多尺度结构,在未来是一个非常有价值的方向,当然这个应用场景很广阔还需要不同行业的应用专家来做思考,来考虑相应的这种点阵结构,在他的领域中去怎么样组织,怎么样调整它的疏密,怎么样构成它的宏观和微观结构的过渡等等。

最后一部分就是简单介绍一些工程展望,因为在会上很多专家,也从国内外整个大的形势、国内外的典型案例做了介绍,这边就介绍几个铂力特做的,或者我们一些用户所提到的案例。


△南极熊配图:航空航天应用的3D打印钛合金风扇叶片包边,长度达1200mm,使用铂力特BLT-S500打印制造,打印时长连续5天。


第一个就是一个很简单的转向节,这个金属3D打印的转向节替代了传统铸造的风险性,转向节结构如果用铸造来做,像这种壁厚存在薄厚不均匀的现象,缺陷很多,单件成品率很低,就导致成本很高,用金属3D打印的话,直接打印也可以打工,为了保证真正发挥金属3D打印、增材制造的机制,我们可以通过一些设计方法的介入,考虑零件怎么样做到更优,这个跟相关用户做了几轮的迭代,获得了比较好的效益,获得了重量的减低,还有成本的降低。

第二个就是传统设计和优化设计的逻辑关系,传统设计者也用到很多设计方法,费尽心血也做了设计方法的改进,传统设计中基本上下了很大的工夫,但是这个是不是最优的,我们通常会多问一句,基于增材制造我们可以把这个问题更细化的来讨论,我们怎么把传输路径确定下来,现在有一个方法,就是拓扑优化甚至更新的设计,这一系列方法都足以支撑我们获得更优的零部件,这个最优的方案怎么实现呢?毫无疑问3D打印是唯一无二的方法,如果设计者在最初考虑到3D打印,在设计中会少走很多弯路。

还有大型尺寸的零部件打印,这个是偏展示的案例,现在工业轮毂不会用金属3D打印,因为成本比较高,这是Form next2018上铂力特的展品,设计了一个从表面的拓扑结构等是一体化制备的轮毂,展示的就是就是BLT-S600设备在大尺寸轮毂的精细化打印能力。

还有现在比较火热的创成式设计,随着计算机技术的发展,我们完全有理由相信,很多设计的设想在不久的将来,甚至很快在我们眼前就可以实现,通过人工智能、通过一些机器学习的算法,由计算机告诉我们设计的走向,设计者要把工艺综合考虑,就可以很快速的得到最优化、或者逼近最优解的结果。

金属3D打印不仅在结构件的应用上,功能性也是金属3D打印非常重要的方向,怎么提升散热片的散热能力,3D打印提供了一个很好的路径,还有更进一步基于3D打印路线路线,我们可以考虑工艺路线的遗传性,实现3D打印算法的迭代,这个是跟西北工业大学相关专业的教授团队合作的项目,我们考虑3D打印优化的一些探索,目前还在基础的层面,我相信随着3D打印的应用和发展,很多工业验证的问题会被设计者所关心,我们应该超前一步考虑这个问题,我相信随着3D打印和计算机技术、计算技术的发展,很多我们现在认为很难的问题,很棘手的问题,我们用发展的眼光看,在很短的时间内就可以解决,不是为了3D打印而3D打印。

铂力特相信金属3D打印可以让设计更自由,让制造更简单,世界更美好。谢谢大家!

转载请保留链接:南极熊3D打印 /wenzhang/1437400028.html


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