几十台金属3D打印机的工厂如何保证质量和效率？天津镭明叶洎沅作智能化应用演讲

南极熊导读：当批量生产应用的时候，工厂里部署几十上百台金属3D打印机，如何保证产品质量，还保证一定的生产效率呢？天津镭明总经理叶洎沅的这个演讲，应该可以给业界带来启发。

2020年8月20日-21日，中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行，此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导，中国增材制造产业联盟主办，繁昌县人民政府协办，南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

△精合集团首席战略官兼任天津镭明激光科技有限公司总经理、上海模具技术协会副理事长叶洎沅发表《增材制造中的智能化应用》主题演讲

△视频：叶洎沅《增材制造中的智能化应用》

以下是本场演讲的现场速记，经大会组委会授权发布

叶洎沅：非常高兴又一次来到芜湖，以前也经常去繁昌，在坐的很多都是老朋友，今天非常高兴给大家带来一个稍微不同的话题——《增材制造中的智能化应用》。

首先讲一下镭明激光现在在做的事，还有增材制造普遍面临的质量与效率问题，如何通过智能化的手段以及智能化在其中发挥的价值。

镭明激光是行业中的新兵，2017年在天津成立，今年是第三年，但是我们的母公司鑫精合在行业里算是老兵了，过去大量使用进口装备进行军工及民用行业的加工服务，现在随着自己的装备研发制造能力的提升，未来的产业化规模在成倍增长，短短两年时间自己的装备数量从0台快速扩展到将近50台，而且还在飞速的扩展中。目前镭明激光主要做四块业务：一块是标准化增材制造装备，从选区激光熔化（SLM）工艺到激光近净成型（LENS）工艺，还有一个新兴的业务是电弧增材（WAAM），我们在这方面投入大量人力物力进行装备、材料和相关工艺研发已经取得非常多的成就，得到很多行业的实际应用；另外一块业务是帮助用户定制设备，标准化设备当然有它的用武之地，但是要想最大化发挥增材制造的价值一定要结合用户的实际产品和它所用的材料和工艺，我们再进行装备的定制，这个定制从尺寸、激光器、能量来源，甚至从工艺要进行定制化开发，帮助用户最大化发挥增材制造的价值，这是我们认为未来的方向，也是我们现在非常重要的一块业务；另外一块涉及到材料、工艺相关开发以及装备后期维护和售后服务。

我们的工艺分三大块：一块是选区激光熔化工艺，镭明现在有三个型号的设备已经发布，其实还有很多设备没有发布，但也在为中国的制造业提供服务，按照成型尺寸从小到大分别是LiM-X150A、LiM-X260A、LiM-X400A（如下图），也可以从最底下的图片看到成型尺寸的对比。

很多朋友还在关心增材制造的部件，我们现在很多部件已经进入到量产阶段，这里展示的是三个部件（下图），很遗憾不能说型号，我甚至不能说干什么的，但是这三个产品已经进入到非常大量的量产阶段。

（上图）最左边的图片是3根杆，其中最第三根杆是采用传统工艺制造加工的，他是非常典型的需要分别加工然后进行焊接，上面有14个焊缝，你可以想象加工难度和合格率。通过运用增材制造技术对结构进行一体化设计，让15个部件最后合成一个部件，然后增材制造进行打印。过去增材制造是采用进口设备来做，效果当然很好，但是不幸的是由于国外进口设备有各种限制导致我们一次只能做一个件，采用国产定制化装备之后，我们一次可以做六个，这样整个成形的合格率大幅度提升，同时材料利用率也提升了，最重要的是加工效率提升之后，整个单件成本显著降低。（上图）右边这两个部件也是现在两个非常重要的量产部件，我们可以看到它通过在一板上打印多个的方式快速形成产能，同时提高结构经济性。尤其像（上图）最右边的部件，我们公司在疫情期间所有设备满足运行，60%的产能就是在生产这一个部件，你可以想象我们生产了多少个，而且最近客户告诉我们你要把你的产能扩大5倍，就为这一个部件，要把我们的产能提高5倍。我们已经用事实证明3D打印线现在已经完全进入量产阶段，而且批量化制造，需求越来越大。

激光近净成型工艺，这是我们常见的装备。激光近净成型的特点就是产品结构差异很大，所以往往是结合客户需求进行定制，所以我们可以从小到大从1.5米做到4.5米这样的超大尺寸结构。

（上图）这是今年大家可能听说过的新闻，就是今年5月份空间站的返回舱成功返回地面，其中它的防热大底就是采用激光近净成型制造的结构，在五院的指导下我们完成了毛坯部分。

我们也在做电弧增材，我认为电弧增材是未来的重要趋势，尤其在汽车这种民用行业做再制造的过程中将会有大量的应用，同时现在这个应用目前主要用在石油或者矿山机械以及水轮机、核电等领域，它使用金属丝材加热熔化，同时采用电弧作为能量来源，当然具体的电弧又分好几种，从等离子焊到氩弧焊等各种工艺我们都进行了大量测试，可以根据用户使用的材料不同开发特定工艺，而且因为使用的电弧作为能量来源加上丝材整个制造效果也是传统激光近净成型工艺的5倍以上，加工效率更高、成本还低，非常适用于将来民用领域增材制造的扩展，这方面我们今年也取得了一些突破。

回过头来我们说一下增材制造中的质量与效率问题。

成功的故事在座的同行看到已经非常振奋，当然不只是这一个案例，比如空客发动机挂架典型的结构（上图）也通过量产认证。但是早上张主任也提到我们为什么在民机领域国内增材制造的适航认证还没有完全开展，甚至还没有完全成功的案例？很大的原因是它的难度。我们公司现在也在参与一些民机型号重点增材制造部件的适航认证。

为了做这个适航认证我们从材料到加工过程到后处理过程，也包括实验检验的所有环节都需要进行大量，甚至标准的成形制定，我们的材料在几十毫秒的时间从几百度增加到几十万度，从很短时间又从几十万度下降回来，这是一个急冷急热的过程，就是历史上所有的冶金成形过程都没有这样，所有相关的适航认证的工作、检验工作都必须要重新完成，所以是非常巨大的工作量。我们这样一个认证工作已经参与了三年，我预计即将收尾，但是仍然有大量工作要做，能够参与这个过程及让我们公司在整个知识储备和流程沉淀上积累了非常多的经验，但是难度非常大，这还只是一个航空的例子。

今天有很多医疗界的朋友，我们也非常关注增材制造在医疗行业的应用，有很多成功的植入，但是往往大家会忽略一个故事，在去年5月份美国强生公司为了给4400位患者使用他们的骨科植入带来一些问题，给4400位患者赔偿10亿美元。不知道大家关注这个新闻没有，所以增材制造尤其进入量产阶段和大规模使用之后，质量问题一定会发生，没有任何人可以幸免，所以必须通过我们的努力去克服质量问题。

增材制造作为一种工艺，它就是为了给客户加工合格的产品，这是我们唯一的目标，但是怎么样实现，需要我们做大量的工作。

增材制造在控制质量上，最重要的两个指标：一个是控性，一个是控形。不管是做功能件还是结构件，材料性能不管是力学性能、导热性能、导电性能这些都必须要想办法实现，满足用户要求；另外控形，大多数增材制造零部件都需要和其他零部件进行组装，一个形状出现偏差都会导致这个部件无法在整体结构上使用，所以这两个目标是核心的，没有任何人可以绕过去，未来所有的努力都必须符合这个目标。

在满足质量的前提下，还要考虑效率问题，不能是为了满足质量，我花无限多的时间，没有任何客户等得起，比如以选区激光熔化工艺为例，从产品设计、工艺设计到制造到后处理，后处理有大量的工序要做。环节非常多非常长，任何一个环节出问题或者环节之间出问题都会导致效率非常慢。所以增材制造不只是要在打印过程中提高效率，要想办法把整个链条的效率提升，还有大量的工作需要做。

影响质量和效率的因素有多少？之前有一个报告，光以选区激光熔化这个工艺为例介绍影响质量和效率的因素就有一百多个，包括设备、材料、工艺过程有大量的因素影响，其中有大量的影响是来源于人，从工艺设计到设备设计到材料开发，因人的影响导致质量和效率的问题。

怎么面对这些问题？智能化。

过去做一个样件的时候无所谓智智能化，但是进入量产阶段，怎么样提高质量？提高效率？不能完全靠人的经验去控制，必须要采用一些智能化手段实现。还以SLM工艺为例，每个环节都有哪些智能化手段可以应用这是需要思考的问题，我稍微简要写了一些，但是这里其实还有很多东西是遗漏的，比如没有提到材料，材料的智能化开发现在也是非常重要的趋势，但是可能和装备相关性不大，所以我没有列。即便这样，我们可以看到有大量的条件，比如从产品设计上，是不是可以通过智能化仿真提升设计水平？让设计结构除了满足功能要求之外，直接就可以试错终端制造工艺。

马总刚刚有一个工艺就是宝马I8车的顶棚采用Solutions的设计，但是那个件的设计非常有讲究，他在整个打印过程中几乎完全没有加支撑，而且通过层层叠加，一板可以打600个，这是什么样的效率，所以产品设计，怎么样通过智能化仿真手段提高加工效率和加工质量，这是从产品设计端就要开始的。另外是工艺设计，材料设计还有工艺本身的仿真技术现在越来越成熟，怎么样把这些技术用好也可以提高质量和效率。

另外是设备，我们现在已经有50多台设备，未来几年内可能要扩大到一百台甚至几百台，这么大量的设备如何管理？还要靠人管理几乎没有办法想象，所以必须采用智能化的排产手段让设备的利用率能够提升。另外打印过程怎么监控它的质量？通过各种手段去监控。另外后处理，这么多道工序怎么保证后处理不同设备之间能够互相通讯，代加工的部件怎么从设备里面取出来，然后进行快速的后处理，最后放到机加的时候又很容易找到它的基准面，否则我怎么去空形，如果基准变了，最后机加出现了问题，都是有可能的，所以这里面包括零点定位系统，后处理自动化系统，都是我们需要考虑的问题。

我们在做质量控制的时候，试验和最终检验需要建立一套智能化数据库，能够让我们快速分析发现质量问题可能是什么原因造成？比如要打印一个产品，快速利用数据库回溯这个问题是什么原因？当我们批量化制造的时候可以避免这种问题。

比如从产品设计角度怎样利用拓扑优化技术快速形成想要的结构，而且现在的拓扑优化技术已经发展到可以把增材制造的工艺条件，比如最小尺寸，比如最薄不能超过多少，最厚不能超过多少，哪些地方需要减少支撑，在拓扑优化的时候已经可以实现，那么我们在设计产品的时候需要把这些工具用好。

模具设计也是这样的，怎么设计随行水路，除了满足功能之外，怎样让模具温度控制的更好，怎样优化水路不容易堵塞，让水垢不容易生成，这样也是需要智能化仿真软件来完成的。

向Materialise的自动加支撑，怎么样能够快速拿到一个结构自动生成支撑，而且支撑的可选择形式可以更多，进一步帮助提高质量和效率，另外自动加支撑还可以节省后处理时间，因为支撑设计的好，后面将很容易去掉。

过程仿真，利用打印过程仿真可以更好地分析可能产生的应力和变形，把可能产生的开裂、质量隐患从一开始就消除，这样可以整体缩短制造时间，提高效率，减少返工，让合格率得以提升，这就是我们的价值所在。比如从预测变形、预测应力、预测热应变、另外可能产生的变形在结构上做一些补偿，这些都是我们可以使用到的功能。

这是很典型的案例（下图），也是我们真实做的，在最开始设计的时候就发现在结构上方很容易产生变形，后来经过仿真之后局部做一些补偿，最后可以很好地实现形状控制。

智能化调度。当我们有多台设备的时候，怎么样把订单根据材料、尺寸以及其他的约束用智能化进行排查？让设备利用率大幅度提升，同时让整个生产线均衡。比如第一条生产线可能设备要进行维护怎么进行预测性的维护？同时把维护时间也考虑到排程，这些都是未来可以开发的，这套东西目前还不存在，但是非常值得做。

质量监控。打印过程的质量监控。刚才说对打印的质量影响因素非常多，包括激光功率、扫描速度、风场结构、光束质量，很多企业都会忽略风场设计，包括熔池监控、氧含量监控、激光功率监控，这些都是增材制造装备研发过程中，通过软件硬件结合实现这样的监控，把质量隐患第一时间抹杀掉。

后处理方面。比如是否设计结构的零点定位，设计一些夹具包括定位系统，有硬件部分、软件部分，这样能够实现打印结束之后，在后处理过程中比较容易找到基本点，避免后续工序出现错误。

自动化的清粉。比如当有多台设备是否可以共用一个自动化的清粉站，进一步提高整个生产车间的效率。而且设备之间运输是不是也可以应用AGV通过信息化的集成，把不同的设备关联起来。

最后就是质量数据分析。怎么能够把质量大数据建立起来，当我打印几百个部件，几千个部件，积累了大量实验数据，也有仿真的数据，如何建立一套FMEA体系？我们叫失效模式分析，任何出现质量缺陷能快速找到原因，是由哪些原因造成的，怎么样快速追溯这些原因，这都是需要应用不管是软件还是硬件的手段快速积累的。

增材制造已经从原型制造进入到量产阶段，有大量的案例，公开的和不能公开的都已经证明了这一点。这个过程怎么样提高质量的一致性？提高效率是所有行业同仁必须关注的一件事。我们的解决方案就是在这个过程中必须采用智能手段，用设备也好用计算机也好帮助我们避免一些错误，所以在每个环节如何充分利用这些智能化技术是未来增材制造发展必须面临的挑战。我们希望和大家共同努力，为共同目标，为更高效率提供更高质量的产品，让这个行业得以健康持续发展。

谢谢大家。

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