2022-03-02

《科创中国·院士开讲》是“科创中国”与抖音联合打造的大型视频知识类栏目，由中国科学院和中国工程院院士作为主讲嘉宾，栏目在“科创中国”微信公众号同步播出。本期，中国工程院院士、北京航空航天大学材料学院教授、大型金属构件增材制造国家工程实验室主任、中国增材制造产业联盟专家委员会副主任王华明作为主讲嘉宾，为我们分享增材制造技术对重大装备结构、材料和制造业的影响。

把三维复杂问题平面化

增材制造，俗称3D打印，发明于1980年左右，得益于计算机技术，使得制造过程可以实现数字化。王华明院士总结道，所谓增材制造，就是把零件切分成无穷多的平面，把三维复杂的零件当成二维平面问题来解决，主要靠熔化等方式来逐层堆积材料，从而制造出实体物品。

按材料来分的话，增材制造可分为非金属增材制造（包括陶瓷和高分子）、金属增材制造、生物组织增材“制造”。

其中，金属增材制造的关注度较高。王华明院士介绍了金属增材制造的两种方法，一种是粉床选区熔化或者叫铺粉，它可以做出非常复杂的结构，例如航空发动机的燃油喷嘴、钛合金的生物植入体等。

另一种是同步送粉/丝熔化沉积，通过这种方式可以快速制作大型构件，例如发动机的整体叶盘、超高强度钢的起落架等。

突破材料冶金天花板

大型关键受力构件的制造，是核电站、高铁、飞机、运载火箭等重大装备制造的基础。据王华明院士介绍，重大装备的关键受力构件一般是金属，然而受传统冶金/塑性成形技术的“原理性”制约，重大装备大型关键金属构件制造能力和材料性能已近极限。未来重大装备的发展又呈现大型化、高性能、极端服役、高可靠、长寿命、低成本的趋势，要求严苛，“这实际上是面临的一个挑战”，王华明院士说，因为一旦做大零件，冷却速度慢了，晶体就会粗，化学成分不均匀，完全不致密，只能靠锻造去补救，而补救是有限度的。

而增材制造“突破了材料冶金的天花板”，可以实现快速冷却，以微区的冶金取代传统的锻造冶金，既不需要模具、锻造装备，也不需要炼钢、炼铁，做出来之后经过少量加工就可以得到最终的零件。

原则上来说，所有金属都适用于增材制造，不过王华明院士认为，现阶段，越大、越复杂、性能要求越高的零件，使用3D打印的优势越大，如果是制作普通螺丝钉这类的零件，传统方法的性价比更高。

制造大型金属构件的瓶颈

真正用增材制造做大型金属构件并实现应用的话，瓶颈在哪？王华明院士提到了几点需要考虑的问题：

首先，3D打印时，长时间剧烈加热或剧烈冷却会带来非常大的热应力，构件容易变形开裂，如何控制增材过程中的热应力是基础问题，也是最难的问题。

其次，3D打印过程中，如何通过控制冶金、控制凝固、控制固态相变，来保证构件的质量？万一产生缺陷，如何检验出来？“我认为这是核心，如果这个过程得不到控制，做出来零件的品质是不行的，品质不行，你根本不可能把它用在一些关键构件上”，王华明院士说。

再次，需要对工艺过程有很好的控制和掌握，使其稳定生产。另外，必须建立相应的技术标准，“标准是应用的通行证”。最后，任何一个技术要走向应用，一定要把性价比作为前提，做到低价格、高效率、短周期。

对重大装备制造业的影响

王华明院士认为，3D打印技术会给重大装备制造业带来以下三方面影响：

一、变革装备结构。由于增材制造是把三维问题当成二维来做，零件的大小、形状、尺寸理论上说不再受制约。从这个意义上说，它将会改变未来装备的结构，“也许以后飞机整个机身就变成两个零件，那不是什么神话。我认为这是能做到的。”

二、变革装备材料。3D打印过程中，可以实现逐点逐层地改变任何部位的化学成分，也可以控制每一点的温度、冷却速度，让零件的不同部位有不同的性质，这是易如反掌的。此外，利用这种极端的冶金条件，有望发展出新一代金属材料，例如新一代钛合金、新一代超高强度钢等，不受目前冶金原理的约束，这也是王华明院士团队的一个研究方向。

三、变革大型装备生产模式。由于3D打印是直接从数模变成零件，不再需要传统的冶金工业、锻造工业，因此它会改变装备的研制模式。“也许未来的装备都会是个性化的、小批量的，就是因为某个目的我就是造一台两台，造完之后可能马上就改型”，王华明院士畅想。

王华明院士强调，用增材制造这种方法为重大装备服务，前途毫无疑问是光明的，“但是我们还需要潜下心来，去做大量细致的、深入的研究，真正让3D打印做大型关键构件的优势发挥出来。”