永年激光：超大平面型桌面型3D金属打印SLM设备取得双突破

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发表时间：2021-03-16

即将过去的2020年是极不平凡的一年，在新冠肺炎疫情冲击下，全球经济社会的不确定性、不稳定性增加，给我国经济社会带来了巨大冲击。面对危机，永年公司全体员工在原清华大学教授颜永年为领军人物的带领下，不怕脚下艰难，只为心中梦想，向上突破挑战，向下接地气，顶天立地，攻坚克难，勇攀科技高峰，勇闯3D打印新天地。

△清华大学教授颜永年

向上突破挑战，首创超大型激光3D金属打印SLM设备

增材制造（也称为3D打印）技术集物理、化学、光学、机电、材料、控制、信息等多学科于一体，已列入国家战略性新兴产业。过去30年全球3D打印市场年平均增长率30%，2019年总收入达到120亿美元。在全球产值超过10亿美元的制造企业100%有3D打印技术部门和3D打印技术应用。如波音在美国建立20多个3D打印中心或工厂，2017年首个3D打印零件获得FAA取证，超过600000个3D打印零件在民用航空器上服役。GE公司采用3D金属打印技术制造LEAP发动机燃料喷嘴和GE9X发动机的涡轮叶片等7大类304个零件，布局新一代航空发动机制高点。近年来，3D打印发展迅速，在航空航天等高精尖领域不断开拓创新，将传统加工与智能化技术融为一体，将会为这些行业带来深远影响和重大变革。

轻量化结构，特别是大型轻量化结构是航天、航空、轻量化汽车、轻量化高铁的重要需求之一，随着航空航天等领域的急速发展，大型化及超大型化SLM工艺发展提到了日程，现行SLM工艺的不足日益显现。大型和超大型的SLM设备不是小型设备的简单尺寸放大，面临的技术难关很多，比如：多激光束协同描扫，拼接和协同难度增大；风场控制、过滤、送粉、清粉等难度均增大；随成形高度的增加，重型活塞纵向寸动（如负荷达10 吨，20~80μm精确位移，重复4万次），难度很大。尤其是所需研发资金巨大，在国内外也是重大技术挑战，因此，研发风险极大。

高科技和重大技术装备是买不来、讨不来，等不来的。不创新发展是等死，创新失败是找死。南极熊了解到，面对挑战，全体永年人坚定信心、锐意改革创新，以严谨的科学作风，发挥团队精神，克服无数困难，熬过无数夜晚，一串串数据、一项项改进、一次次突破，终于在世界上首先研发成功——扫描面积达1000mm，4激光器、3工位、超大型、高精度SLM先进设备，并且成功中标国内重大技术装备合同单台标的达2000万元。充分彰显永年激光积极面向经济主战场，主动对接国家重大技术需求，突出“硬核”科技，勇于攻坚克难，实现在逆境中突破和反转。

YLM-1000设备聚焦航空发动机等高端制造领域的重大需求，满足航空发动机、火箭发动机、医疗器械、燃料电池等复杂功能结构件成形制造的需要，为国内首台生产型超大扫描面积的增材制造SLM工艺之设备，在国内增材制造领域具有重大意义和引领作用。

1、多激光束4~16束（4激光束高功率1000~5000W）、3工位（成形和清粉分离）、协同扫描和精准配合，实现300小时连续作业，提高成形速度。

2、超大型激光熔化成形能力(Φ1000*800mm3)是制造航空发动机、燃气轮机、卫星、火箭等关键零部件的重要利器。

3、自主研发的高精度、重载10吨的垂直驱动系统，每次垂直向下位移的距离为20~80μm，精度5μm（0.005mm），重复2万次不得有累积误差。

△YLM-1000打印的直径800mm（两个零件中尺寸略小的）的金属件

向下接地气，工于心、匠于行，首创抬升式桌面型3D金属打印机

我国各工业、科研和教学领域急需桌面型的大成形体积、可变粉体、高精度的3D金属打印设备。所谓3D金属打印桌面机，是指设计精巧，结构紧凑、可变成形粉体、精度好、成形效率高而具有足够大的扫描成形空间大的微小型设备。其设计和制造难度高，须有长期从事3D金属打印设备生产和使用经验的团队来完成。

然而目前，国内外的桌面型和小型金属成形机，或成形体积太小（50x50x50mm）、或机器体积太大、或成形粉体不可变，或精度有待提高。江苏永年激光成形技术有限公司在积近10年在选区激光熔化（SLM）开发经验的基础上，采用该公司的多项国家专利，完成桌面型金属成形机的开发（成形尺寸160x160x200mm ）。

新型桌面机由成形主机、过滤器、控制柜和冷水机组成，如图。

△YLM-160桌面金属3D打印系统

桌面型3D金属打印设备绝不是低端产品的代名词，采用了永年激光的国家发明专利“型-形技术”，即M/S——Model/Shape技术,完成从SLM到SLM-M/S的技术提升，经过大量的卓越的开发工作，顺利完成我国第一个超大成形粉体的金属桌面机的生产。

首台（套）抬升式桌面型3D金属打印机，摒弃传统的SLM设备的成形缸系统，有效地降低用户的使用成本，可广泛地应用教学、科研和工业等各个领域。

工业领域：注塑模和吹塑模小型插件等，工业用金属结构件，其成形空间应远远大于50mm立方，应达到160x160x200mm 的水平；

医疗器械：体内外假肢和关节、齿科义齿等；

科研领域：材料研究需小型可变粉体的3D金属打印设备，以节省宝贵的测试金属粉末；由于实验室面积的限制，研究领域更倾向小型机或桌面机；

教学领域：高等学校的实训、技师和技工培训和竞技大赛等对桌面机的需求是很迫切的。

△YLM-160桌面金属系统打印的铝合金光栅

坚持自主创新，锻造企业核心竞争力

SLM: Selective laser melting（选择性激光熔化）是3D金属打印的一种主要技术途径。这项技术的工作原理是选用激光作为能量源，按照三维CAD 切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描（20μm~80μm厚的金属粉末微层），扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，然后逐层累积成型出三维实体，最终获得模型所设计的金属零件。SLM技术克服了传统技术制造具有复杂形状的金属零件带来的困扰，它能直接成形出近乎全致密且力学性能良好的金属零件。

因此，成形缸系统可实现微粉顶层制造及数万微粉层的精密叠加，保证SLM工艺的实现的关键技术之一。目前，国内外主流设备商普遍采用成形缸系统在SLS和SLM工艺中应用了30多年，对中小型的成型件简易可行，数十年中，因成形件不大，矛盾不大，但随作大型和超大型SLM的出现，其弊端日益显现，比如：缸筒的约束刚性过大，造成“大缸干小活”，且不易取件；又如：活塞与缸筒是导向付的关系，容易引发“卡缸”等问题。最突出的问题是传统SLM技术的粉材浪费及其其严重，现有成形缸-活塞SLM技术，只有不到 20%被熔化转变成零件；未熔化的粉末虽然可以被回收处理后再使用，但因氧化和流动性下降等原因，复用 5-10 次后，粉末不能再用，必须更换新粉末；粉末价格高，是同等重量棒材价格的 10-20 倍。从典型的3D打印产品的成本分析，原材料占20-30%，设备折旧占40-50%，由此可见，设备和粉末的国产化、节约粉末和减低使用成本是3D打印应用的瓶颈之一。

用户的痛点，就是改进和创新的目标。永年激光在近10年SLM设备开发经验的基础上，不走仿制老路，锐意进取、勇于创新，锚定高质量发展，形成了一批最新技术成果，并新增多项国家发明专利，通过更换“型板”、“形台”和“伸缩筒”，即可更换粉体，实现“大件大粉体”，“小件小粉体”，提高了成形效率，节省宝贵的粉末。同时，无成形缸的限制，可以从形板上直接取出成形件，大大简化了设备的结构，取件十分方便，特别适合超大型3D金属打印重型设备。

此外，永年公司具有自主知识产权的成形控制软件和数据处理分层软件，特别适合具有保密资质的军工企业。其特点如下：

1、根据模型几何形状自动排版，排除零件干涉。

2、可自动生成模型支撑，支撑参数可由用户自定义，支撑参数兼顾可靠性和后续易去除性。用户还可根据自身需求任意添加或删减支撑。

3、根据保护气体的流向排列扫描次序，零件扫描顺序可以与保护气流的方向进行匹配。

4、Z方向可分段设置层厚和激光工艺参数，且同一成形任务中，可在成形方向分段设置不同层厚和工艺参数，助于工艺开发以及复合材料成形工艺的研究，提供了3D打印更广阔的工艺成形空间，扩大其应用领域。

5、模型标记编号，层片数据的模型编号标记，以实现成形时中止个别模型继续打印。

6、隔层扫描，可选隔层扫描支撑数据，提升效率。

7、扫描策略可根据实际需要进行选择和设置，可采用分区填充策略（条形，块状），邻层填充线夹角变换。

8、扫描路径动画模拟，方便查看具体路径规划效果。

补足短板、解决痛点，让用户敢用国产设备、会用国产设备、用好国产设备。

永年，既是品牌，更是信任和责任

面对不断变化的国内外环境，在国家部署实施制造强国的背景下，永年激光锐意持续创新，筑牢核心竞争力，以创新之钥，破解发展难题。公司实施“创新驱动的发展战略”，分别与中国工程院吴澄院士、中国科学院葛昌纯院士合作共建企业院士工作站和3D金属打印科研创新平台，曾先后与中科院电子学所、中科院宁波材料研究所、清华大学、石家庄铁道大学、昆明理工大学等科研院所建立了10个协同创新实验室。公司拥有国家发明专利授权17项、实用新型专利授权10项，获得软件著作权4项，注册商标14项，参与起草地方标准2项，企业标准3项，管理体系认证5项，CE产品认证2项。2014年获得第三届中国创新创业大赛先进制造行业第二名，2015年获得江苏省高新技术企业称号，2016年获得江苏省重大技术装备首台套和“专、精、特”产品认证，2017年获得江苏机械科学技术进步二等奖，2018年获得江苏省最具成长性高科技企业100强和中国3D打印行业最具投资价值20强，2020年获得中国宿迁科技大赛一等奖和江苏省中小企业创业创新大赛三等奖。