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(jì)算機(jī)控制下通過激光逐層掃描，熔化并急冷凝固堆積，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速成形制造。我國運(yùn)-20運(yùn)輸機(jī)、長征五號(hào)B運(yùn)載火箭、祝融號(hào)火星探測(cè)器等“大國重器”上，用3D打印技術(shù)制造的大型關(guān)鍵金屬承力構(gòu)件都發(fā)揮著重要作用。


然而這種技術(shù)的誕生起源于上世紀(jì)八九十年代，由于3D打印的可行性，美國學(xué)者做出一個(gè)假設(shè)：是否能夠用這種方式對(duì)金屬配件進(jìn)行打印？


這個(gè)想法是好的，但他們做出來的構(gòu)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(xiàng)技術(shù)在2005年被腰斬。


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


在一次實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用表面快速融凝手段修復(fù)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(shù)去制造金屬構(gòu)件的話，那么勢(shì)必會(huì)對(duì)我國的大型裝備制造業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。


說干就干，1995年，王華明立刻組建起了自己的團(tuán)隊(duì)，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行研究和試驗(yàn)，一次次調(diào)整金屬粉末的密度、打印時(shí)的溫度以及凝固時(shí)所需的條件。


終于，在團(tuán)隊(duì)的努力之下，做出的構(gòu)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(tuán)隊(duì)研制出的我國第一個(gè)3D打印鈦合金小零件被裝上飛機(jī)，金屬3D打印技術(shù)邁出了標(biāo)志性的一步。但從小零件到“大塊頭”，仍有重重關(guān)卡需要突破。


在國產(chǎn)大飛機(jī)C919研制過程中，機(jī)頭的風(fēng)擋窗框看起來結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)際上，其空間形狀極為復(fù)雜，用傳統(tǒng)的鍛造、焊接等方法無法完成。那時(shí)，全世界范圍內(nèi)只有歐洲的一家公司能夠鍛造，對(duì)方也開出了價(jià)格——模具費(fèi)就要200萬美元，制造周期則要2年。


王華明接下了這項(xiàng)任務(wù)。原本團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在臘月二十之前完成研制，但各種小問題一個(gè)個(gè)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(jìn)行后續(xù)的應(yīng)力處理，堅(jiān)守在崗位上的團(tuán)隊(duì)成員都一籌莫展。


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

后續(xù)，團(tuán)隊(duì)成員用一個(gè)簡單的物理學(xué)原理化整為零、積零為整，最終實(shí)現(xiàn)了內(nèi)應(yīng)力離散，大型構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力大、容易開裂的問題得到了解決。


在具體操作過程中，一個(gè)3米高，與集裝箱很像的大型機(jī)器內(nèi)部，是一個(gè)平臺(tái)，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(shí)間，金屬層板上就多出了個(gè)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(shù)就被運(yùn)用到了我國的大飛機(jī)C919上，飛機(jī)機(jī)頭處的鈦合金整體窗框就是運(yùn)用了王華明團(tuán)隊(duì)的技術(shù)鑄造而成，這個(gè)C919上的“大塊頭”，從零件打印、熱處理、測(cè)試檢驗(yàn)到運(yùn)輸交付，整個(gè)制造周期不足55天，成本不足鍛造模具費(fèi)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(jiān)持？


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


對(duì)于這個(gè)問題，王華明院士是這樣回答的：


說實(shí)在我們真沒去參考它，那你自己做你自己的，照著你這個(gè)目標(biāo)一直往前走。你只要保證三條，這個(gè)金屬零件的性能就會(huì)很好，一個(gè)就是金屬里面的筋力，就相當(dāng)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(diǎn)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(jìn)去，它就不銹了，我還希望這個(gè)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(diǎn)鹽，要加點(diǎn)糖，要加點(diǎn)別的什么東西，最終面條才好吃。第一個(gè)筋得細(xì)，第二致密，第三加進(jìn)去的元素分布是均勻的，只要你做到這三點(diǎn)，可能我們的飛機(jī)起落架強(qiáng)度就高，壽命就長，耐受性就好。


其實(shí)我們現(xiàn)在看到的運(yùn)20大型運(yùn)輸機(jī)，還有殲20戰(zhàn)斗機(jī)，以及長征5B大型運(yùn)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(gè)技術(shù)，現(xiàn)在看來，未來打印月球基地也不是沒有可能。

向技術(shù)前沿持續(xù)突破


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


11年前，中共中央政治局以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略為主題的第九次集體學(xué)習(xí)活動(dòng)來到中關(guān)村，榮獲了國家科技發(fā)明一等獎(jiǎng)的飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)，被遴選為第一項(xiàng)重點(diǎn)學(xué)習(xí)調(diào)研內(nèi)容。王華明作為技術(shù)發(fā)明人，在中關(guān)村的這間“課堂”上講解了國內(nèi)、國際3D打印技術(shù)現(xiàn)狀和市場(chǎng)前景。“這次的經(jīng)歷，給了我極大的鼓舞，讓我有更大的動(dòng)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(yù)感自豪感自不待言。”


現(xiàn)在，王華明依舊堅(jiān)守在科研和教學(xué)一線，在他的實(shí)驗(yàn)室里，“報(bào)國使命 創(chuàng)新引領(lǐng) 激情敏行 卓越超越”的16個(gè)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(tuán)隊(duì)提供了創(chuàng)新研究的沃土。“在全國范圍內(nèi)，北京在科技創(chuàng)新上毫無疑問是處在引領(lǐng)位置的。”王華明認(rèn)為，這種引領(lǐng)不僅體現(xiàn)在科創(chuàng)力量、科研隊(duì)伍、科研平臺(tái)等方面，還包括了超前的理念、寬松的環(huán)境、務(wù)實(shí)的政策等。在他看來，北京科創(chuàng)的發(fā)展勢(shì)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(dāng)下，王華明團(tuán)隊(duì)正在面向國家重大裝備發(fā)展的戰(zhàn)略需求和先進(jìn)材料制造技術(shù)國際前沿，開展重大裝備新一代高性能金屬結(jié)構(gòu)件及其大型關(guān)鍵構(gòu)件高效、低成本、高精度增材制造技術(shù)研究和應(yīng)用。未來，金屬3D打印技術(shù)不僅會(huì)改變大型零件制造工業(yè)固有的大、重、貴的面貌，還將會(huì)走進(jìn)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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