一件最古老但又可能改變未來的事


“金屬3D打印”，是以合金粉末或絲材為原材料，在計算機控制下通過激光逐層掃描，熔化并急冷凝固堆積，實現(xiàn)大型復雜金屬構件的快速成形制造。我國運-20運輸機、長征五號B運載火箭、祝融號火星探測器等“大國重器”上，用3D打印技術制造的大型關鍵金屬承力構件都發(fā)揮著重要作用。


然而這種技術的誕生起源于上世紀八九十年代，由于3D打印的可行性，美國學者做出一個假設：是否能夠用這種方式對金屬配件進行打印？


這個想法是好的，但他們做出來的構件卻并不盡如人意，在很多性能方面根本就比不上傳統(tǒng)手段所制造出來的，所以這項技術在2005年被腰斬。


可是，對于美國學者來說是個難題的事情，對于王華明來說卻充滿了挑戰(zhàn)性。


在一次實驗中，他發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動機葉片采用表面快速融凝手段修復后，其性能甚至比沒有損傷之前更好，這讓他靈光一現(xiàn)。


如果直接使用激光融凝技術去制造金屬構件的話，那么勢必會對我國的大型裝備制造業(yè)產生深遠影響。


說干就干，1995年，王華明立刻組建起了自己的團隊，對該項目進行研究和試驗，一次次調整金屬粉末的密度、打印時的溫度以及凝固時所需的條件。


終于，在團隊的努力之下，做出的構件一次比一次大，而且性能也一次比一次穩(wěn)定。

從小零件到“大塊頭”


十年磨一劍，2005年6月，王華明團隊研制出的我國第一個3D打印鈦合金小零件被裝上飛機，金屬3D打印技術邁出了標志性的一步。但從小零件到“大塊頭”，仍有重重關卡需要突破。


在國產大飛機C919研制過程中，機頭的風擋窗框看起來結構簡單，實際上，其空間形狀極為復雜，用傳統(tǒng)的鍛造、焊接等方法無法完成。那時，全世界范圍內只有歐洲的一家公司能夠鍛造，對方也開出了價格——模具費就要200萬美元，制造周期則要2年。


王華明接下了這項任務。原本團隊計劃在臘月二十之前完成研制，但各種小問題一個個冒出來，一直拖到了除夕夜。那晚，零件好不容易打印成型，但又大又重的零件沒法放到爐中進行后續(xù)的應力處理，堅守在崗位上的團隊成員都一籌莫展。


最終王華明決定，大家都先回家，吃團圓飯。大年初一，他一大早就趕到實驗室，看到的卻是裂成三段的零件。“做技術就是這樣，困難和問題如影隨形。失敗的時候沮喪一會兒，爬起來繼續(xù)干。”王華明說，

后續(xù)，團隊成員用一個簡單的物理學原理化整為零、積零為整，最終實現(xiàn)了內應力離散，大型構件內應力大、容易開裂的問題得到了解決。


在具體操作過程中，一個3米高，與集裝箱很像的大型機器內部，是一個平臺，上邊放著一塊金屬層板，其上正在工作著的就是激光。


在激光的來回游走之下，只用了三十多秒的時間，金屬層板上就多出了個大約30毫米的金屬環(huán)，仿佛是憑空“長出來”的一樣。


很快，這樣的技術就被運用到了我國的大飛機C919上，飛機機頭處的鈦合金整體窗框就是運用了王華明團隊的技術鑄造而成，這個C919上的“大塊頭”，從零件打印、熱處理、測試檢驗到運輸交付，整個制造周期不足55天，成本不足鍛造模具費用的十分之一。


這樣的成就不僅讓國人驕傲，更是讓全世界都為之震驚。


曾被宣稱說走不通的路為什么還要堅持？


有人會問，既然美國已經(jīng)宣稱說3D打印的方法運用到航空的這些關鍵的構件上這條路走不通，為什么咱們還要繼續(xù)走？


對于這個問題，王華明院士是這樣回答的：


說實在我們真沒去參考它，那你自己做你自己的，照著你這個目標一直往前走。你只要保證三條，這個金屬零件的性能就會很好，一個就是金屬里面的筋力，就相當于面粉吧，河南的面條做得很好，像咱們河南燴面就拉得特別長，它塑形就好，還有一點呢我們真正用的材料都不是純金屬，都要往里面加各種各樣的別的合金元素。光是鐵它容易生銹，12%以上的鉻加進去，它就不銹了，我還希望這個東西使用度更高，可能我往里面加鎢，各種各樣合金元素，就像做面條可能往里撒點鹽，要加點糖，要加點別的什么東西，最終面條才好吃。第一個筋得細，第二致密，第三加進去的元素分布是均勻的，只要你做到這三點，可能我們的飛機起落架強度就高，壽命就長，耐受性就好。


其實我們現(xiàn)在看到的運20大型運輸機，還有殲20戰(zhàn)斗機，以及長征5B大型運載火箭，使用的都是激光3D打印，還有在青藏高原大約60層樓高的羊曲大壩用的也是這個技術，現(xiàn)在看來，未來打印月球基地也不是沒有可能。

向技術前沿持續(xù)突破


從火星四濺的金屬冶煉，到激光掃描實現(xiàn)3D打印，跨越數(shù)千年的技法有了新的生命。這項稱得上“神奇”的金屬3D打印技術，幫助大型關鍵金屬構件制造能力和材料性能水平更進一步，我國成為了世界上唯一一個掌握該技術，并付諸實際應用的國家。


11年前，中共中央政治局以創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略為主題的第九次集體學習活動來到中關村，榮獲了國家科技發(fā)明一等獎的飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術，被遴選為第一項重點學習調研內容。王華明作為技術發(fā)明人，在中關村的這間“課堂”上講解了國內、國際3D打印技術現(xiàn)狀和市場前景。“這次的經(jīng)歷，給了我極大的鼓舞，讓我有更大的動力繼續(xù)奮斗在科研的道路上。奮斗很快樂，特別是為國家民族奮斗，榮譽感自豪感自不待言。”


現(xiàn)在，王華明依舊堅守在科研和教學一線，在他的實驗室里，“報國使命 創(chuàng)新引領 激情敏行 卓越超越”的16個大字格外顯眼。“看著零件像樹苗發(fā)芽一樣一毫米、一毫米地堆積生長，那種感覺非常奇妙。”他說。


北京的科創(chuàng)環(huán)境，為王華明團隊提供了創(chuàng)新研究的沃土。“在全國范圍內，北京在科技創(chuàng)新上毫無疑問是處在引領位置的。”王華明認為，這種引領不僅體現(xiàn)在科創(chuàng)力量、科研隊伍、科研平臺等方面，還包括了超前的理念、寬松的環(huán)境、務實的政策等。在他看來，北京科創(chuàng)的發(fā)展勢頭正勁，未來，北京將成為在世界上具有影響力的、全世界科技人員向往并希望加入的地方。


當下，王華明團隊正在面向國家重大裝備發(fā)展的戰(zhàn)略需求和先進材料制造技術國際前沿，開展重大裝備新一代高性能金屬結構件及其大型關鍵構件高效、低成本、高精度增材制造技術研究和應用。未來，金屬3D打印技術不僅會改變大型零件制造工業(yè)固有的大、重、貴的面貌，還將會走進千家萬戶。


文章來源： 科技北京，河南科協(xié)，自由止戈

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