王華明院士:高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)及其對(duì)重大裝備制造業(yè)的影響

2018年1月5日，由上海市增材制造協(xié)會(huì)支持的、中國(guó)航天科工集團(tuán)和哈爾濱市人民政府主辦的首屆中國(guó)（哈爾濱）航空航天3D打印材料及應(yīng)用制備技術(shù)博覽會(huì)暨高峰論壇在哈爾濱盛大開(kāi)幕，在會(huì)上北京航天航空大學(xué)王華明院士做了《高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)及其對(duì)重大裝備制造業(yè)的影響》的主題報(bào)告。

王華明院士表示，3D打印是在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)以后的一種數(shù)字制造技術(shù)，把三維的事情當(dāng)成二維來(lái)做，一層一層的做。3D打印技術(shù)帶來(lái)的最大的顛覆首先是改變結(jié)構(gòu)，就是原來(lái)我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)，可以有非常好的結(jié)構(gòu)，但是我們受傳統(tǒng)的制造技術(shù)的制做不出來(lái)，現(xiàn)在它是一層一層的往上去做，真正改變的是結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師們應(yīng)該更多的了解這個(gè)技術(shù)。這樣一系列帶來(lái)的變化，可能是原來(lái)一架飛機(jī)需要3萬(wàn)個(gè)零件，現(xiàn)在可能變成300個(gè)零件，原來(lái)一架飛機(jī)如果說(shuō)它的載重量是60噸，有可能有一天載重量還是60噸，這個(gè)飛機(jī)的自重就變成50噸了。這是帶來(lái)結(jié)構(gòu)的變革。

第二，它會(huì)變革材料。也就是說(shuō)在3D打印過(guò)程當(dāng)中，我們可能會(huì)合成制備出一些傳統(tǒng)方法制備出來(lái)的材料，尤其是金屬材料，可能也是這樣。
第三，它對(duì)制造技術(shù)帶來(lái)的一個(gè)變化，材料、結(jié)構(gòu)和制造自身。3D打印，如果說(shuō)按照材料來(lái)分，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，一類就是打印是非金屬的，一類是打印金屬的。當(dāng)然還有一種就是所謂生物3D打印，在他看來(lái)生物3D打印跟增材制造沒(méi)有關(guān)系，它只是為培養(yǎng)生物組織提供了一種手段，這種生物組織就是靠培養(yǎng)出來(lái)的，是靠細(xì)胞的分裂生長(zhǎng)出來(lái)的，并不是打印出來(lái)的，所以本身它是屬于生命科學(xué)范疇的事兒。3D打印一個(gè)是打印金屬，一個(gè)是打印非金屬。

王院士所在的國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室一直是致力于重大裝備高性能的大型關(guān)鍵構(gòu)件的3D打印，是其實(shí)驗(yàn)室主要的方向。 用3D打印這種方法去做重大裝備當(dāng)中的大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件有哪些問(wèn)題，它有非常非常好的優(yōu)點(diǎn)，但是它還面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。其實(shí)需要做大量的工作。為什么我們選大型關(guān)鍵構(gòu)件這個(gè)領(lǐng)域作為3D打印的目標(biāo)呢？是因?yàn)橹卮笱b備當(dāng)中這些大型關(guān)鍵構(gòu)件制造是非常困難的，用傳統(tǒng)的做法那就是重工業(yè)，就是中國(guó)一重、中國(guó)二重干的事�，F(xiàn)在有了3D打印，有可能做一些大型構(gòu)件就會(huì)變得比較簡(jiǎn)單，例如從零件的數(shù)模，只要是高能量的熱源去熔化凝固，可能非常短的時(shí)間就出來(lái)一個(gè)很精的毛坯，這個(gè)周期就會(huì)非常的短。它不僅僅是說(shuō)周期短，也不僅僅說(shuō)是節(jié)省材料，也不僅僅說(shuō)節(jié)省模具，也不僅僅說(shuō)節(jié)省重型的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。

在他看來(lái)它非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是可以在打印過(guò)程當(dāng)中制備出高性能的材料，同時(shí)把材料的制造和結(jié)構(gòu)的制造一起完成，后面這些事情3D打印的這種優(yōu)點(diǎn)，就是說(shuō)節(jié)省模具、材料、加工、快速反應(yīng)。它有非常多的優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)要變成現(xiàn)實(shí)還有很大的困難。真正要解決大型關(guān)鍵構(gòu)件的3D打印，并且實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用還面臨很多的挑戰(zhàn)。這是實(shí)驗(yàn)室過(guò)去做的一部分零件，如起落架和發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤(pán)等鈦合金構(gòu)件，在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，除了3D打印還沒(méi)有其他的方法能把這么大的鈦合金構(gòu)件能夠做出來(lái)。這個(gè)挑戰(zhàn)在哪兒呢？我們不管是通過(guò)送粉送絲等的手段，怎么能夠控制打印過(guò)程當(dāng)中，讓零件不變形，不開(kāi)裂，零件越大，變形開(kāi)裂的趨勢(shì)會(huì)越大，做大型零件會(huì)非常困難，這是一個(gè)永恒的主題，大家不要認(rèn)為3D打印什么都能干，一旦零件打大了以后是打不出來(lái)的，裝備可以做很大，但是你做不出來(lái)，這是需要做大量的研究。

第二，材料�，F(xiàn)在大家都誤解，認(rèn)為是粉末，認(rèn)為是絲材，那個(gè)東西是原料，真正是打印過(guò)程通過(guò)已經(jīng)重新出來(lái)的零件，這個(gè)東西才是材料。這個(gè)材料在打印過(guò)程當(dāng)中如何控制讓它不產(chǎn)生缺陷，如何控制它的結(jié)晶，讓它的形態(tài)能夠受控制。如果這個(gè)過(guò)程得不到控制，最終出來(lái)的性能是不行的。也就是說(shuō)，如果性能不行，至少用做關(guān)鍵的受力的組成構(gòu)件是不可以的，這個(gè)過(guò)程毫無(wú)疑問(wèn)不是傳統(tǒng)的凝固，它是在激光快速的加熱，快速的冷卻，不均勻條件下的凝固，固態(tài)相變，這個(gè)過(guò)程毫無(wú)疑問(wèn)，這是必須要有的過(guò)程。剛才講的如何在打印過(guò)程當(dāng)中控制熱應(yīng)力，工藝過(guò)程的控制，發(fā)展出大型的裝備，使這個(gè)技術(shù)能夠走向工程應(yīng)用，建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。沒(méi)有這些東西一個(gè)新的技術(shù)不可能走向應(yīng)用，在他看來(lái)是這個(gè)
技術(shù)要發(fā)展，要面臨的問(wèn)題。
第三，裝備。從2006年到現(xiàn)在，裝備已經(jīng)走向了系列化，走向了工程化生產(chǎn)。

第四， 標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在大家都說(shuō)沒(méi)有3D打印的標(biāo)準(zhǔn)，從粉末到工藝，到裝備，到質(zhì)量控制，到超聲波檢驗(yàn)，一直到最后的產(chǎn)品，其實(shí)2005年開(kāi)始已經(jīng)走向了工程應(yīng)用，但是不是拿到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就能做出這個(gè)東西。經(jīng)過(guò)這么多年的努力，發(fā)展了自己的3D打印的工藝，自己的裝備，自己的標(biāo)準(zhǔn)體系，使這個(gè)技術(shù)能夠走向工程應(yīng)用，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程是產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的一個(gè)結(jié)果。有很多零件，在國(guó)家的一些重大裝備當(dāng)中，還是發(fā)揮了不可替代的一個(gè)作用。這是一個(gè)副產(chǎn)品，2009年的時(shí)候C919的機(jī)頭是雙曲面的，這個(gè)零件大概用傳統(tǒng)的方法去做，可能模具費(fèi)，一套模具20萬(wàn)美元，要把零件干出來(lái)至少得兩年，零件可能會(huì)非常非常貴。我們當(dāng)時(shí)用3D打印大概55天4個(gè)框，所有的費(fèi)用加起來(lái)大概不到120萬(wàn)，連模具費(fèi)的十分之一都不到，這也是一個(gè)奇跡，非常快的時(shí)間。

2010年也做過(guò)一件事情，嚴(yán)格意義上說(shuō)，其實(shí)這是世界上第一次在民用飛機(jī)里面大型關(guān)鍵的構(gòu)件用上了3D打印。3D打印出來(lái)的大概也就136公斤，會(huì)節(jié)省大量的材料，節(jié)省大量的加工，而且加工變形會(huì)很小。當(dāng)然費(fèi)用還低，性能還高。重量減輕70%。這么復(fù)雜的構(gòu)件，傳統(tǒng)的方法沒(méi)有任何一種方法能夠做出這樣的零件，現(xiàn)在3D打印就成為它的唯一的方案，這個(gè)方案帶來(lái)的效果一架飛機(jī)減重250公斤，高強(qiáng)的鈦合金，它的強(qiáng)度高，密度還大，還貴，還特別硬，特別難加工。現(xiàn)在我們發(fā)展出自己全新的3D打印鈦合金的材料，減少30%以上的加工時(shí)間，飛機(jī)上這些材料都被這種新材料取代掉。飛機(jī)的起落架組成的構(gòu)件非常大，使用的材料為超高強(qiáng)度鋼，這類應(yīng)用體現(xiàn)了3D打印的優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)對(duì)航空發(fā)展是非常重要的。

這種技術(shù)對(duì)重大裝備制造業(yè)會(huì)帶來(lái)什么影響？他認(rèn)為會(huì)帶來(lái)變革性的影響，是變革材料的引進(jìn)，可以做到對(duì)整個(gè)零件不同的部位逐點(diǎn)可控，可設(shè)計(jì)，零件是500毫米厚，還是700毫米厚，可以做到性能和組織結(jié)構(gòu)一樣，3D打印可以做到，某種意義上就擺脫了傳統(tǒng)的引進(jìn)對(duì)材料制備，包括材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)件成型原理性的制約，這將是顛覆。航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的零部件就是渦輪葉片，定向凝固技術(shù)，業(yè)態(tài)金屬冷卻，溫度梯度可以做到每厘米200度，這種情況做出來(lái)無(wú)論葉片是什么樣的，就是這樣的，疏松嚴(yán)重，偏析嚴(yán)重，枝晶粗大。這是沒(méi)有辦法解決的�，F(xiàn)在3D打印可能就會(huì)帶來(lái)變革。這是1989年做的激光增材制造，微細(xì)定向柱晶。這種零件用傳統(tǒng)的任何方法是出不來(lái)的，這就是變革材料。

例如鈦合金的整體葉盤(pán)，可以做到柱狀晶、等軸晶，現(xiàn)在為止全世界誰(shuí)也不能做到讓鈦合金定向凝固，如果把它稱之為鋼筋混凝土，有的鈦合金是柱狀晶，有的鈦合金是等軸晶。我們可以控制這個(gè)鋼筋間距和它的大小，就是它可以變成很多用傳統(tǒng)方法做不出來(lái)的材料。

這種變革制造技術(shù)，舉一些例子，未來(lái)裝備要么是極大，要么是極小，我們是瞄著極大，未來(lái)裝備肯定都是越來(lái)越大，性能越來(lái)越高，這些對(duì)3D打印來(lái)說(shuō)是很好的事情。舉一個(gè)小例子，像大發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇，如果要變成一個(gè)整體的風(fēng)扇葉盤(pán)，用傳統(tǒng)的方法鍛造一個(gè)直徑超過(guò)3.5米的鈦合金，再加工成這么一個(gè)零件，代價(jià)會(huì)很高，用3D打印這會(huì)變得很容易的一件事情。這是材料、影響、結(jié)構(gòu)、制造，另外也會(huì)帶來(lái)制造模式的變革，以后的工廠不是現(xiàn)在的工廠。

不是像現(xiàn)在新聞媒體去炒作，現(xiàn)在一些公司去通過(guò)融資，就是去做一個(gè)題材作為炒作，我認(rèn)為任重道遠(yuǎn)，現(xiàn)在更多的不是做3D打印在炒作，實(shí)際上是沒(méi)有核心技術(shù)的。不做材料，不做工藝，不做長(zhǎng)期的研究，不考量，偷一點(diǎn)技術(shù)，挖兩個(gè)人，挖兩個(gè)工人，玩兩天，三天以后就沒(méi)戲了。3D打印不是說(shuō)所有的材料做大型構(gòu)件，不是所有的材料都適合，也不是所有的構(gòu)件它都適合�？赡苓@些材料越貴，像鈦合金，材料越貴，材料越難加工，而且材料還要有可塑性，用這些材料去做什么構(gòu)件呢？如果做這么小一個(gè)構(gòu)件，這么簡(jiǎn)單的構(gòu)件，傳統(tǒng)方法會(huì)比你便宜得多，也會(huì)比你好得多，沒(méi)有必要。去做什么構(gòu)件呢？尺寸非常大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，性能要求非常高的這些東西，節(jié)省的材料、節(jié)省的周期、節(jié)省的成本、性能在提升，這些東西放在一塊，我認(rèn)為這是它最大的優(yōu)勢(shì)。

不管你做出來(lái)再好，如果沒(méi)有性能的優(yōu)勢(shì)，沒(méi)有價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，不可能有應(yīng)用價(jià)值。
王院士表示只要金屬還在，這就是永恒的主題和永恒的方向，也許不會(huì)再用激光了，也許也不會(huì)再用電子束，但是總歸這是一個(gè)基本的手段，這是一個(gè)永恒的主題，這突破了傳統(tǒng)金屬材料的瓶頸學(xué)制約，3D打印僅僅是他們一個(gè)方向，在新材料、表面工程，也是做的非常努力的一個(gè)方向。

來(lái)源：SAMA國(guó)際論壇