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

來源：科創(chuàng)中國

《科創(chuàng)中國·院士開講》第九期請到中國工程院院士，北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院教授，大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗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，得益于計算機技術(shù)，使得制造過程可以實現(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窮多的平面，把三維復(fù)雜的零件當成二維平面問題來解決，主要靠熔化等方式來逐層堆積材料，從而制造出實體物品。

按材料來分的話，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)動機的燃油噴嘴、鈦合金的生物植入體等。

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

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、運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、長壽命、低成本的趨勢，要求嚴苛，“這實際上是面臨的一個挑戰(zhàn)”，王華明院士說，因為一旦做大零件，冷卻速度慢了，晶體就會粗，化學(xué)成分不均勻，完全不致密，只能靠鍛造去補救，而補救是有限度的。

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，做出來之后經(jīng)過少量加工就可以得到最終的零件。

原則上來說，所有金屬都適用于增材制造，不過王華明院士認為，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)件并實現(xiàn)應(yīng)用的話，瓶頸在哪？王華明院士提到了幾點需要考慮的問題：

首先，3D打印時，長時間劇烈加熱或劇烈冷卻會帶來非常大的熱應(yīng)力，構(gòu)件容易變形開裂，如何控制增材過程中的熱應(yīng)力是基礎(chǔ)問題，也是最難的問題。

其次，3D打印過程中，如何通過控制冶金、控制凝固、控制固態(tài)相變，來保證構(gòu)件的質(zhì)量？萬一產(chǎn)生缺陷，如何檢驗出來？“我認為這是核心，如果這個過程得不到控制，做出來零件的品質(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。

再次，需要對工藝過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)標準，“標準是應(yīng)用的通行證”。

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

對重大裝備制造業(yè)的影響

王華明院士認為，3D打印技術(shù)會給重大裝備制造業(yè)帶來以下三方面影響：

一、變革裝備結(jié)構(gòu)。由于增材制造是把三維問題當成二維來做，零件的大小、形狀、尺寸理論上說不再受制約。從這個意義上說，它將會改變未來裝備的結(jié)構(gòu)，“也許以后飛機整個機身就變成兩個零件，那不是什么神話。我認為這是能做到的?！?br />

二、變革裝備材料。3D打印過程中，可以實現(xiàn)逐點逐層地改變?nèi)魏尾课坏幕瘜W(xué)成分，也可以控制每一點的溫度、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、新一代超高強度鋼等，不受目前冶金原理的約束，這也是王華明院士團隊的一個研究方向。

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)，因此它會改變裝備的研制模式?！耙苍S未來的裝備都會是個性化的、小批量的，就是因為某個目的我就是造一臺兩臺，造完之后可能馬上就改型”，王華明院士暢想。

王華明院士強調(diào)，用增材制造這種方法為重大裝備服務(wù)，前途毫無疑問是光明的，“但是我們還需要潛下心來，去做大量細致的、深入的研究，真正讓3D打印做大型關(guān)鍵構(gòu)件的優(yōu)勢發(fā)揮出來?！?br />