《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，北京航空航天大學材料學院教授,，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,�,！�

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,。“也許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,。”