LENS技术在汽车行业的应用——同济大学教授严彪在3D打印在汽车行业应用技术研讨会上的演讲

各位来宾,非常感谢,大家待了一天,这在我们很多行业会议里是很难得一见。今天我的报告是关于激光近净成型制造技术在汽车行业中的应用,这个技术实际上是最早叫属于激光强化的范围。

首先它的由来是快速制造,RP技术。最近提出了一个激光的制造技术,是和交大联合起来申请的一个项目,纳入了先进制造的范畴里,实际上这些都是属于激光制造里面的。这个实际上是很早就发展起来了。核心的问题是当时在我们国内,有很多的技术不完善,比如精密伺服驱动技术当时不完善,但现在都已经很完善了,所以国内很多公司都可以制造3D打印机。

我们从激光技术来讲快速成型技术就是两大类,很多其它类型的技术都是从这两类发展起来的。

一种是基于激光的快速成型工艺,将可成形的材料分离、熔化、固化和粘结的RP工艺。

另外一种基于微滴的数字喷射形成工艺(通过微滴技术将成形材料微滴化堆积成形或将粘结剂微滴化粘结成形材料堆积成形的RP工艺)

RP技术主要的技术方法:选择性激光烧结、直接光成形DLF、激光LENS。这个激光LENS技术用的最多的是做轴类零件对它进行强化,最早是做汽车里的活塞进行强化,主要是修复,首先进行一个三维扫描,扫描之后进行可以成形。这是LENS技术比较直观的片子,这是加工一个零部件,大家看了这两个黑的,实际上是两个喷粉的装置,中间就是一个激光束,通过中间的激光束在两个喷粉的地方聚焦在激光束的表面,最后形成一层一层扫描,最后就形成了我们所需要的零部件。这种现在讲的比较多的,不是铺粉式的,是喷粉式的,但实际上从激光角度来说就叫LENS技术。这个零部件在国外,尤其是美国发展比较多的,我这个是很早的,Optomec公司,当时2003年就和他们合作了。

他这个技术最后打印出来的形状不像铺粉式的那么精细,但它的性能相当优良,而且组织也非常致密。它的技术特点是高度的柔性,技术也是高度的集成。

LENS技术,它的材料适用范围非常广泛,目前来说所有的材料都能做,轻量化的材料、铝合金材料,像一些航空航天的材料都可以用,未来还有很多的发展。现在的难点是在做复合材料,目前我们有一个硕士在那里做复合材料。

这个技术有很多的应用,国外公司已经使用,连美国最先进的战斗机现在已经部署在日本的相关靠近中国大陆很近的地方,包括现在美国的大黄蜂战斗机,这些部件都是用这个方法加工出来的。在汽车方面,实际上我们今天围绕汽车讲了一大堆都是汽车,实际上真正的用在汽车方面,主要就是轻量化,像刚才或者前面几位老师都讲的,就是轻量化,那么所谓轻量化的概念,就是说它的结构设计轻量化,实际上我一直强调它的整个构造是完全的创新。我们可以举个例子,这是一个赛车,原来上面是一个常规的零件,通过三维的重新设计以后,就变成了下面这个零件,整个重量有很大的下降,这样就实现了轻量化,这个是通过构造重新设计。

另外他这个也是可以降低成本,也是通过这些构造的创新设计,包括他的冷却系统。LENS实际上在维修方面是特别有优势,比如汽车的气门杆坏了,它就跟前面另外传统的焊接来说,它的熔池区是非常不一样,在激光扫描的过程中组织变化和性能的提高,跟它的熔池区是没有关联的。所以从LENS技术来说,加热出来的变形非常小,断裂的倾向也很小,致密度很高。现在有一些先进的船舶的焊接,厚钢板的焊接也是用这种原理来做,具体地工艺保密。这是一个典型的方法,首先我要维修这个零部件,我首先用一个三维的扫描对这个零部件的尺寸进行一个检测,检测完之后零件的表面进行清理,最后用上面的方式,中间一个激光束。像宗总讲的他现在公司开拓的一个技术就是把一个激光束既可以做成焊接,也可以做成打孔,最后也可以做这种方式,这种实际核心的问题在哪里?就是激光功率大小,束斑的调节,实际很多都是这些工艺参数决定的,在这个里面扫描的路径是固定的。

下面我想讲一下设备,这个设备是美国当时做的比较多的设备(Optomec),我们很早就和他们合作,我们当时想生产一种专门的加工设备,当然我们现在开始自己制造,我们学校投了经费,所以我们现在也是在跟很多单位联系合作,包括我们要采购一些,自己制造一些。这个设备过去都是单一的,要么是做3D打印的,要么是做其它的,但在这个设备里不光是3D打印,成形完之后还进行表面处理,所以他把这两个东西都结合起来,最终出来很光亮的、精度很高、性能很好的零件,这也是一种趋势。

下面谈谈我们自己做的一些工作,我们做的这个是轮毂电机,这个电机是用3D打印做出来的,通过这个3D打印做出来以后,材料性能非常高,尤其是磁性能,我们把电机的结构完全优化了,电机是薄,功率很大,以后在汽车的轮毂里,这个技术德国现在已经有了,德国已经有样车出来了,好处是什么?以后车子的四个轮毂就是四个动车组,我们原来的汽车它的转向最多是40度,它可以90度到270度。现在我们在做一批准备参加今年的工博会,还有一个想法把它做成一个汽车去展览,这个做完以后未来可能对这个行业就是一个冲击,我上午讲现在的汽车是由传动系统,一个传动轴、传动齿轮这么一个组。那么以后这些东西都不需要了,未来就是四个轮子,加上一个电脑中央插式控制,四个电机速度的插式控制,然后是遥控手柄,再加一些能源电池,这个电池可以有很多种,现在我们万部长提出来新能源汽车,当然我觉得现在有很多的电池都可以用,未来我们想能不能做成汽车到美国去参加比赛。我们原来用水泥造的船在美国进行比赛,第一次参与的时候什么奖都没有拿到,去年拿了4项奖。

所以刚才提出了很多设计的理念,我觉得完全都可以用,它实际上就是有一种有线源网格的原理,疏密是由我们调整的,这个里面的好处是可以分析你的受力情况,所以网格的疏密是按照这个东西来设计的,我觉得这是很巧妙的一个构思。谢谢大家,我的演讲就到这里。因为我这个上面引用了一些网络上的资料,在此一并表示感谢,我有些也删了很多,因为原欢迎大家以后跟我们有进一步的合作,同济大学3D打印的平台就建在我们材料学院,所以我们现在也在努力的跟外面企业合作,把同济的3D打印的教育、人才培养、装备建设搞到一起,非常感谢大家。

嘉宾简介:

严彪 同济大学 教授

简介:工学博士、教授、博士生导师。1983年毕业于上海交通大学机电分校机械系热加工专业,获工学学士学位;2001年毕业于同济大学无机非金属

材料专业,获工学博士学位。现为同济大学材料学院金属材料研究所负责人、上海市金属功能材料应用开发重点实验室副主任。上海市金属学会常务理事,上海市新材料学会粉末冶金行业协会副会长,机械工程材料学会粉末冶金委员会主任委员,上海市有色金属学会副理事长、中国粉末冶金战略联盟专家委员会委员,中国材料研究学会会员。