《科創(chuàng)中國(guó)》王華明院士：3D打印，重大裝備制造業(yè)的新機(jī)會(huì)

來(lái)源：科創(chuàng)中國(guó)

《科創(chuàng)中國(guó)·院士開(kāi)講》第九期請(qǐng)到中國(guó)工程院院士，北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院教授，大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任王華明作為主講嘉賓，為我們分享增材制造技術(shù)對(duì)重大裝備結(jié)構(gòu)、材料和制造業(yè)的影響。

把三維復(fù)雜問(wèn)題平面化

增材制造，俗稱3D打印，發(fā)明于1980年左右，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得制造過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。王華明院士總結(jié)道，所謂增材制造，就是把零件切分成無(wú)窮多的平面，把三維復(fù)雜的零件當(dāng)成二維平面問(wèn)題來(lái)解決，主要靠熔化等方式來(lái)逐層堆積材料，從而制造出實(shí)體物品。

按材料來(lái)分的話，增材制造可分為非金屬增材制造（包括陶瓷和高分子）、金屬增材制造、生物組織增材“制造”。

其中，金屬增材制造的關(guān)注度較高。王華明院士介紹了金屬增材制造的兩種方法，一種是粉床選區(qū)熔化或者叫鋪粉，它可以做出非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴、鈦合金的生物植入體等。

另一種是同步送粉/絲熔化沉積，通過(guò)這種方式可以快速制作大型構(gòu)件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤(pán)、超高強(qiáng)度鋼的起落架等。

突破材料冶金天花板

大型關(guān)鍵受力構(gòu)件的制造，是核電站、高鐵、飛機(jī)、運(yùn)載火箭等重大裝備制造的基礎(chǔ)。據(jù)王華明院士介紹，重大裝備的關(guān)鍵受力構(gòu)件一般是金屬，然而受傳統(tǒng)冶金/塑性成形技術(shù)的“原理性”制約，重大裝備大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造能力和材料性能已近極限。未來(lái)重大裝備的發(fā)展又呈現(xiàn)大型化、高性能、極端服役、高可靠、長(zhǎng)壽命、低成本的趨勢(shì)，要求嚴(yán)苛，“這實(shí)際上是面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)”，王華明院士說(shuō)，因?yàn)橐坏┳龃罅慵�，冷卻速度慢了，晶體就會(huì)粗，化學(xué)成分不均勻，完全不致密，只能靠鍛造去補(bǔ)救，而補(bǔ)救是有限度的。

而增材制造“突破了材料冶金的天花板”，可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻，以微區(qū)的冶金取代傳統(tǒng)的鍛造冶金，既不需要模具、鍛造裝備，也不需要煉鋼、煉鐵，做出來(lái)之后經(jīng)過(guò)少量加工就可以得到最終的零件。

原則上來(lái)說(shuō)，所有金屬都適用于增材制造，不過(guò)王華明院士認(rèn)為，現(xiàn)階段，越大、越復(fù)雜、性能要求越高的零件，使用3D打印的優(yōu)勢(shì)越大，如果是制作普通螺絲釘這類的零件，傳統(tǒng)方法的性價(jià)比更高。

制造大型金屬構(gòu)件的瓶頸

真正用增材制造做大型金屬構(gòu)件并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的話，瓶頸在哪？王華明院士提到了幾點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題：

首先，3D打印時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間劇烈加熱或劇烈冷卻會(huì)帶來(lái)非常大的熱應(yīng)力，構(gòu)件容易變形開(kāi)裂，如何控制增材過(guò)程中的熱應(yīng)力是基礎(chǔ)問(wèn)題，也是最難的問(wèn)題。

其次，3D打印過(guò)程中，如何通過(guò)控制冶金、控制凝固、控制固態(tài)相變，來(lái)保證構(gòu)件的質(zhì)量？萬(wàn)一產(chǎn)生缺陷，如何檢驗(yàn)出來(lái)？“我認(rèn)為這是核心，如果這個(gè)過(guò)程得不到控制，做出來(lái)零件的品質(zhì)是不行的，品質(zhì)不行，你根本不可能把它用在一些關(guān)鍵構(gòu)件上”，王華明院士說(shuō)。

再次，需要對(duì)工藝過(guò)程有很好的控制和掌握，使其穩(wěn)定生產(chǎn)。

另外，必須建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，“標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用的通行證”。

最后，任何一個(gè)技術(shù)要走向應(yīng)用，一定要把性價(jià)比作為前提，做到低價(jià)格、高效率、短周期。

對(duì)重大裝備制造業(yè)的影響

王華明院士認(rèn)為，3D打印技術(shù)會(huì)給重大裝備制造業(yè)帶來(lái)以下三方面影響：

一、變革裝備結(jié)構(gòu)。由于增材制造是把三維問(wèn)題當(dāng)成二維來(lái)做，零件的大小、形狀、尺寸理論上說(shuō)不再受制約。從這個(gè)意義上說(shuō)，它將會(huì)改變未來(lái)裝備的結(jié)構(gòu)，“也許以后飛機(jī)整個(gè)機(jī)身就變成兩個(gè)零件，那不是什么神話。我認(rèn)為這是能做到的�！�

二、變革裝備材料。3D打印過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)逐層地改變?nèi)魏尾课坏幕瘜W(xué)成分，也可以控制每一點(diǎn)的溫度、冷卻速度，讓零件的不同部位有不同的性質(zhì)，這是易如反掌的。此外，利用這種極端的冶金條件，有望發(fā)展出新一代金屬材料，例如新一代鈦合金、新一代超高強(qiáng)度鋼等，不受目前冶金原理的約束，這也是王華明院士團(tuán)隊(duì)的一個(gè)研究方向。

三、變革大型裝備生產(chǎn)模式。由于3D打印是直接從數(shù)模變成零件，不再需要傳統(tǒng)的冶金工業(yè)、鍛造工業(yè)，因此它會(huì)改變裝備的研制模式�！耙苍S未來(lái)的裝備都會(huì)是個(gè)性化的、小批量的，就是因?yàn)槟硞�(gè)目的我就是造一臺(tái)兩臺(tái)，造完之后可能馬上就改型”，王華明院士暢想。

王華明院士強(qiáng)調(diào)，用增材制造這種方法為重大裝備服務(wù)，前途毫無(wú)疑問(wèn)是光明的，“但是我們還需要潛下心來(lái)，去做大量細(xì)致的、深入的研究，真正讓3D打印做大型關(guān)鍵構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)�！�