中国3D打印技术弯道超车,未来我们还能打印什么?

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在过去几十年中,无数的新技术诞生,改变着我们的生活,3D打印是其中之一。它能打印歼-11B战斗机上的零件、国产大飞机C919的机身构件,能在最短时间内以最精准的尺寸制作个人化的医疗物资,它正在被应用于青藏高原上的羊曲大坝建设,而打印月球基地的可能性也已被中国论证

在金属3D打印领域,中国工程院院士王华明与团队经过三十余年的不懈努力,在技术上已经实现了弯道超车。现阶段,他们仍在不断创新,通过3D打印发展出全新一代的金属材料,做出非常复杂,性能非常高、非常精的大构件。

他说,自己干的是金属铸造这件最古老的事,同时也是一件可能会改变未来重大装备结构的事。

 

美国叫停的事被中国干成了

2005年6月,中国第一个3D打印的钛合金小零件被装上飞机,就此完成金属3D打印技术标志性的一步。“这是歼-11B上的一个特别小的零件,别看小,但是要做到能在飞机上应用,大概走了8年的路。”

中国由此成为率先突破这一技术的国家。在应用成功后王华明才注意到,美国方面已宣称,用3D打印的方法制造航空器的大型关键构件这条路走不通,“由于他们当时做出来的零件性能不行,就宣布停止3D打印金属零件。”但在王华明看来,快速凝固是让金属材料的晶体变细,让它的化学成分变均匀、变致密的公认的方式,“所以我们就沿着这条路一直往前走。”

2009年,王华明和他的团队用3D打印技术,做出了国产大飞机C919机头钛合金主风挡整体窗框,这个“大家伙”的重量大约20斤,一个成年人可以轻松拿动。

“当时的情况是,如果要用厚板来抠的话,我们没有那个能力。欧洲有一家公司能干,但锻造出来再加工出来零件得两年,还得先掏200万美元模具费。”找别人干花费高、工期长,最终王华明与团队采用3D打印完成了窗框,只用了55天,而成本仅为模具费用的十分之一。


中国凭借3D打印技术,在飞机、火箭等重大装备的大型复杂关键金属构件制造领域,第一次走到了世界先进水平。从2017年起,中国3D打印专利数量超过全球其他国家的总和,3D打印产业应用以世界最快的速度发展,已跃升为全球第二。

原动力是做出最好的东西

“从青铜器时代到铁器时代,从钛时代到硅时代,几千年来,我们一直在用金属划时代,从这个意义上说,我干了最古老的事。”

 

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上世纪八十年代末,学铸造专业的王华明与3D打印结缘。“铸造的毛病在哪儿?铸进去的东西太多,冷得太慢,晶体结晶收缩,收缩后有孔,就像空心萝卜一样,就需要再把它压实。唯独通过快速凝固,可以解决这些问题。所以1989年来,我们想通过这种方法,从根上能解决材料问题。”

王华明说,整个团队其实就是两个老师带着几个学生一直干干干。设备不能停,需要有人24小时不间断盯着,团队中有成员七八年没见过太阳,“一般人很难想象。”而大家做这一切的驱动力与经济效益无关,也不关乎写论文,就纯粹是希望一点点地实现3D打印工艺上的突破。

 

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他坦言,从来没想过在有生之年能把自己做的3D打印零件装在飞机上。“一般搞航空的人,做一个航空新材料,可能从大学毕业开始做,到六十岁退休,做的东西也上不了飞机。我们当时很自豪,用了8年的时间,做了一件破纪录的有里程碑意义的事。”

过去三十多年来,王华明在研究3D打印的道路上不断创新,“原动力就是要做出最好的东西,让材料的性能更好,让材料做成零件能更便宜、更快、更简单。”

未来我们还能打印什么?

小到衣食住行,大到航空航天、医疗、工业设计、建筑等领域,3D打印正潜移默化地改变着人们对制造业的观念。“重大装备受力最关键的部分一定是金属,怎么能让金属材料的性能更好、更强、更便宜?我认为3D打印是解决之路。”

对于金属3D打印的未来方向,王华明团队瞄准的核心,是通过控制微区冶金过程,发展出全新一代的材料,例如新一代的钛合金,新一代的超高强度钢。在王华明看来,这或许会改变未来重大装备的结构。

以飞机为例,现在可能需要两万多个零件,未来机身部分可能只需要几个零件。“原来要做好几十个零件、靠螺钉连接或靠焊接,未来可能通过3D打印,能做成一个整体,飞机机身有可能真就变成几个零件了。”

而3D打印在航天航空领域应用不仅限于此,中国已论证过3D打印月球基地的可能性。

“月壤的成分主要是由硅酸盐、氧化铁、氧化铝和氧化钙等。在月球上采集月壤,过筛后打印。简单说,就相当于说打印出来空心、绝热的砖,再靠机器人一块块组装成月球基地。”

王华明笃定地称,在一定的时期之内,如果3D打印的优势全发挥出来,对装备的性能,对装备制造的基础工业等都有变革性的意义。“就像国家工程实验室中的设备,持续在发展进步。在人类历史长河中会有怎样的影响我不敢说,但它一定是一种变化。”

 

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