無錫飛而康吳鑫華，金屬3D打印核心技術(shù)

摘要：吳鑫華是澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士、蒙納什大學(xué)增材制造中心主任。作為一名女科學(xué)家，她的研究成果在全球制造業(yè)領(lǐng)域以男性為主導(dǎo)的世界里毫不遜色。今年2月，由她帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)完成了全球首款利用3D打印技術(shù)制造的噴氣式飛機(jī)引擎，相關(guān)成果在澳大利亞墨爾本國(guó)際航空展亮相后，吸引了美國(guó)波音、歐洲空客等航空公司和全球170家媒體的廣泛關(guān)注。




吳鑫華：3D打印 需打造國(guó)家尖端科研產(chǎn)業(yè)鏈

　　“以前，有些飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)可能需要10多道工序，但3D打印技術(shù)一步就可完成，既節(jié)省時(shí)間，還加快整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)功能的發(fā)展�！苯�日，吳鑫華在接受記者采訪時(shí)說。

　　吳鑫華是澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士、蒙納什大學(xué)增材制造中心主任。作為一名女科學(xué)家，她的研究成果在全球制造業(yè)領(lǐng)域以男性為主導(dǎo)的世界里毫不遜色。今年2月，由她帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)完成了全球首款利用3D打印技術(shù)制造的噴氣式飛機(jī)引擎，相關(guān)成果在澳大利亞墨爾本國(guó)際航空展亮相后，吸引了美國(guó)波音、歐洲空客等航空公司和全球170家媒體的廣泛關(guān)注。

　　我國(guó)在3D打印領(lǐng)域已經(jīng)取得一些成績(jī)，但同樣存在瓶頸和制約因素�！艾F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的3D打印科研和應(yīng)用，各家都是單打獨(dú)斗，沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈，而且國(guó)家在尖端科研等方面缺乏戰(zhàn)略上的統(tǒng)一布局�！蓖瑫r(shí)也是一名華人企業(yè)家的吳鑫華頗為感慨。

　　尖端制造，壓縮設(shè)計(jì)與制造時(shí)間

　　當(dāng)下，3D打印正在悄然改變著航空領(lǐng)域的制造業(yè)格局。“3D打印在航空航天領(lǐng)域是創(chuàng)新最集中的領(lǐng)域，因?yàn)楹娇蘸教焓亲罡吒郊又档念I(lǐng)域�！眳泅稳A說。比如大部分飛機(jī)引擎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3D打印的優(yōu)勢(shì)在于，能夠?qū)⑵湓O(shè)計(jì)與制造時(shí)間縮短3~4倍。一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)到成型一般最少需要10~15年，生產(chǎn)每一個(gè)構(gòu)件需要6~24個(gè)月，現(xiàn)在三年左右就可以生產(chǎn)出一款新發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。

　　“越復(fù)雜的構(gòu)件，就越適合3D打印�！眳泅稳A給記者舉了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴的例子：該構(gòu)件雖然“身材”很小，卻是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要部件之一。其霧化特性的測(cè)量對(duì)噴嘴設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制與改進(jìn)要求相當(dāng)高，結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜。然而，利用3D打印卻可以把原來的十幾道工序僅壓縮成一步。

　　與過去的熔化、澆鑄和雕刻等工序有很大不同，各種3D打印技術(shù)——如噴粉和粉末床激光融化技術(shù)、電子束熔煉、熱等靜壓凈成型等——可以快速地進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上批量生產(chǎn)，讓目標(biāo)用戶迅速得到成品，尤其是可以制造出傳統(tǒng)制造技術(shù)無法完成的定制部件。而且，作為一種增材制造方法，它還在很大程度上減少了材料的浪費(fèi)，使99%~100%的金屬粉末被用在最終的產(chǎn)品上。

　　同時(shí)，3D打印能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的非常規(guī)結(jié)構(gòu)特征，這種工藝對(duì)于實(shí)現(xiàn)零部件輕量化、優(yōu)化性能有極其重要的意義。例如，3D打印將為有“空中巨無霸”之稱的寬體客機(jī)空客A380帶來全新的環(huán)保理念。“3D打印可以把零件內(nèi)部設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，替代傳統(tǒng)的實(shí)心結(jié)構(gòu)，這不僅可以減少制造時(shí)的材料使用量及制造時(shí)間，還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，降低能源消耗。”吳鑫華說。

　　產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，亟須著眼全局打通鏈條

　　“3D打印為什么重要？除了技術(shù)本身優(yōu)勢(shì)外，如果你不這么做，而你的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在做，你就會(huì)被淘汰。”吳鑫華一針見血地指出。她表示，當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)3D打印的應(yīng)用相對(duì)超前，其相關(guān)研究不僅是通過產(chǎn)品和市場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)，還會(huì)從國(guó)家戰(zhàn)略來考慮，進(jìn)行整體戰(zhàn)略規(guī)劃。而相較之下，中國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)則多依靠政策驅(qū)動(dòng)，沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈。

　　她認(rèn)為，中國(guó)應(yīng)該從產(chǎn)業(yè)鏈出發(fā)制定嚴(yán)格的戰(zhàn)略規(guī)劃目標(biāo)和政策，而不是“想做什么就做什么，想要錢就去做什么”。

　　2012年，吳鑫華應(yīng)科技部邀請(qǐng)，由江蘇省科技廳協(xié)助，回國(guó)在江蘇無錫創(chuàng)辦飛而康公司和3D打印基地。目前，該公司已建立了覆蓋3D打印原材料、產(chǎn)品以及產(chǎn)品性能檢測(cè)的一條龍式3D打印生產(chǎn)線。

　　以鈦粉為例，該公司目前每年可生產(chǎn)60多噸全球最優(yōu)質(zhì)的航空原材料，約占全球1/3的相關(guān)原料市場(chǎng)�！艾F(xiàn)在，國(guó)外主要是加拿大和德國(guó)進(jìn)行同樣的鈦粉生產(chǎn)，有國(guó)外企業(yè)希望把我們的公司收購過去，壟斷全球3D打印的鈦粉原材料。”吳鑫華說，“中國(guó)到目前為止還未認(rèn)識(shí)到這一重要性：達(dá)到國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量粉末是3D打印民用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的必要元素之一。沒有它，就沒有高性能的3D產(chǎn)品�！�

　　同時(shí)，在她看來，國(guó)內(nèi)還應(yīng)該從戰(zhàn)略上考慮打通產(chǎn)業(yè)鏈。在國(guó)外是由用戶在考慮市場(chǎng)方向，比如打印機(jī)翼，波音公司會(huì)安排好各個(gè)任務(wù)，然后向國(guó)家申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)支持；而中國(guó)則缺少市場(chǎng)牽引和戰(zhàn)略主導(dǎo)。

　　此外，國(guó)內(nèi)3D打印和用戶沒有掛上鉤，使相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)難以施展出來。她認(rèn)為，應(yīng)該促進(jìn)全民對(duì)3D打印技術(shù)的了解，這樣才能把技術(shù)擴(kuò)展到整個(gè)社會(huì)。

　　面向未來，“炒出佳肴”須打造可靠產(chǎn)品

　　在吳鑫華看來，3D打印就像一口“炒鍋”。而要用3D打印“炒”出“佳肴”不僅需要好的材料，還需要建立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)行質(zhì)量認(rèn)證、建立可靠的供應(yīng)鏈等。

　　首先，專業(yè)和非專業(yè)的最大差別就在于材料學(xué)。吳鑫華認(rèn)為，盡管當(dāng)前國(guó)內(nèi)材料學(xué)研究位居全球前沿，但在3D打印領(lǐng)域仍存在塑料打印泛濫的現(xiàn)象�！皩�(shí)際上，塑料打印不能代替金屬打印，就像塑料構(gòu)件不能替代金屬構(gòu)件，不應(yīng)該混淆金屬等其他材料的發(fā)展�！痹诓牧戏矫孢�應(yīng)精益求精，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，更好地把握材料的特性，這就要把握好運(yùn)用材料進(jìn)行3D打印的最佳工藝窗，才能提高成品的質(zhì)量以達(dá)到產(chǎn)品使用性能要求。

　　其次，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)——材料標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)——的建立越快越好�！盁o論在制造業(yè)，還是在醫(yī)療行業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)是真正把高科技推到商業(yè)前景立面的一個(gè)交集點(diǎn)，所以保證質(zhì)量的一次性、重復(fù)性、可靠性、穩(wěn)定性非常重要。”吳鑫華說。

　　事實(shí)上，建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要依靠很多研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，并無償?shù)啬贸鰜磉M(jìn)行共享，但因?yàn)樗�不是�?chuàng)新，只是規(guī)范，往往很難拿到經(jīng)費(fèi)支持，導(dǎo)致在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中經(jīng)常被該問題拖后腿。此外，建立標(biāo)準(zhǔn)的隊(duì)伍如果沒有很深的技術(shù)知識(shí)，建立起的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)不科學(xué)和不實(shí)際。她表示，在很多地方是國(guó)家、材料技術(shù)專家和用戶的聯(lián)合體來建立這個(gè)數(shù)據(jù)，這可以作為中國(guó)未來發(fā)展的參照。

　　談起研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)工作，吳鑫華表示，該研究共涉及20多個(gè)構(gòu)件，計(jì)劃在今年年底全部完成，未來兩年內(nèi)達(dá)到精度和性能要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)況測(cè)試�！昂娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的重量一般從幾十到幾百公斤不等，如果我們可以減重10%，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說就已經(jīng)是很大的數(shù)字了�！彼�補(bǔ)充說。

（圖片來源：百度）
(來源：中國(guó)科學(xué)報(bào))