3D打印，讓中國(guó)飛機(jī)“中國(guó)造”
5月8日，在上海國(guó)際展覽中心，一名觀眾拍攝一臺(tái)正在打印椅子模型的3D打印機(jī)。 新華社發(fā)（賴鑫琳攝）
你能想象萬里長(zhǎng)城、摩天大樓等巨型建筑物通過打印的方式被建造出來；甚至說，你的臉、手、腳……也被打印復(fù)制出來嗎？這在未來的某一天或許將不再是奢望。
近日，英國(guó)期刊《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》以“3D打印：萬里長(zhǎng)城的新磚瓦”為題報(bào)道了增材制造技術(shù)在中國(guó)的飛速發(fā)展。其中介紹，“中國(guó)最大的3D打印機(jī)能制造出高性能、難加工大型飛機(jī)復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件”。這項(xiàng)代表著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向、在重大裝備制造中具有巨大應(yīng)用價(jià)值的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”，使我國(guó)成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)、實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家，并因此獲得“2012年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)”。
這臺(tái)打印機(jī)和這項(xiàng)技術(shù)，屬于北京航空航天大學(xué)的王華明教授和他的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。
瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿：中國(guó)團(tuán)隊(duì)的“神奇變形術(shù)”
一束激光，有規(guī)則地在金屬材料上游走，所過之處，金屬神奇地生長(zhǎng)。這束奇特的激光可以制造出飛機(jī)上任意一種復(fù)雜形狀的大型零件，宛如“變形金剛”，令公眾大呼“神奇”。
“要是用飛機(jī)鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法，等零件最后成形，90%的材料都被切削、浪費(fèi)掉了。”驚嘆背后，數(shù)十年致力于材料科學(xué)研究的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王華明坦言，瞄準(zhǔn)這一國(guó)際前沿技術(shù)的初衷在于“看不得浪費(fèi)”，“傳統(tǒng)飛機(jī)鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造方法是鍛造和機(jī)械加工。先要熔鑄大型鈦合金鑄錠、鍛造制坯、加工大型鍛造模具，然后再用萬噸級(jí)水壓機(jī)等大型鍛造設(shè)備鍛造出零件毛坯，最后再對(duì)毛坯零件進(jìn)行大量機(jī)械加工。整個(gè)工序下來，耗時(shí)費(fèi)力，總花費(fèi)要高達(dá)幾十個(gè)億，光大型模具的加工就要用一年以上的時(shí)間，要?jiǎng)佑脦兹f噸級(jí)的水壓機(jī)來工作，要大量供電，甚至需要建電廠。”
落后的傳統(tǒng)工藝激發(fā)了王華明和團(tuán)隊(duì)成員攻堅(jiān)克難的斗志，也讓一個(gè)關(guān)于“中國(guó)制造”的夢(mèng)想悄然植根——“如果有一天，中國(guó)飛機(jī)上許多關(guān)鍵大型復(fù)雜高性能主承力構(gòu)件都能采用我們激光直接制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本、短周期、快速制造該多好啊！”
夢(mèng)想激勵(lì)下，從2000年開始，王華明和他的科研團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)攻關(guān)，圍繞大型復(fù)雜零件鍛造技術(shù)，不斷創(chuàng)新，尋求突破，利用5年時(shí)間走出了一條與傳統(tǒng)方法截然不同的新路子。
他們探索了一種做“加法”的高性能金屬零件制造方式——通過計(jì)算機(jī)控制，用激光將合金粉末熔化，并跟隨激光有規(guī)則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長(zhǎng)”，直接根據(jù)零件CAD模型一步完成大型復(fù)雜高性能金屬零部件的“近終成形”制造。
這項(xiàng)技術(shù)可以制造出飛機(jī)上任意一種復(fù)雜形狀的大型零件，宛如“變形金剛”，它的特點(diǎn)——高性能、低成本、短周期正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造方法的不足，而且使得很多傳統(tǒng)方法不能做出的構(gòu)件成為可能。
過去兩三年才能做好的復(fù)雜大型零件，現(xiàn)在兩三個(gè)月就能完成，而且只需兩三個(gè)人在實(shí)驗(yàn)室里操作。如今，王華明他們的“變形金剛術(shù)”制作的零件已實(shí)實(shí)在在地裝上了飛機(jī)，使我國(guó)成為世界上唯一掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形及在飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用技術(shù)的國(guó)家。
立足國(guó)家需求：“為國(guó)家造，有意義！”
王華明始終認(rèn)為所有的創(chuàng)新都始于對(duì)實(shí)踐和對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的深度認(rèn)識(shí)與靈活應(yīng)用。要想創(chuàng)新必須腳踏實(shí)地，必須結(jié)合國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，創(chuàng)造具有實(shí)際價(jià)值的創(chuàng)新成果。十多年來，他這種追求創(chuàng)新的精神也潛移默化地影響了他的學(xué)生們。
2001年，湯海波考上王華明教授的碩士研究生時(shí)，王華明就已經(jīng)在做激光增材制造技術(shù)。“當(dāng)時(shí)王老師提出這個(gè)瞄準(zhǔn)國(guó)家戰(zhàn)略需求和國(guó)際學(xué)科前沿發(fā)展方向的研究領(lǐng)域，以及與我國(guó)主要飛機(jī)設(shè)計(jì)所、制造公司合作的這種產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式，對(duì)我們研究生有一種很大的吸引力。”湯海波毫不猶豫地選擇了跟隨王老師從事這方面的研究，如今他已經(jīng)博士畢業(yè)留校，成為這個(gè)團(tuán)隊(duì)的骨干力量。
與他一樣，被這種“非常有意義的”目標(biāo)所吸引而進(jìn)入這個(gè)團(tuán)隊(duì)，還有很多學(xué)生。
張述泉2003年讀碩士正式加入王華明研究團(tuán)隊(duì)時(shí)，正趕上激光增材制造技術(shù)從科研摸索階段步入初步工程化階段。他十分享受帶著紅外眼鏡，守在機(jī)器旁看著一個(gè)150毫米的小零件在激光中慢慢“生長(zhǎng)”出來的過程。
“那時(shí)候，七八個(gè)小時(shí)能做出一個(gè)A4紙大小的次承力結(jié)構(gòu)件出來，我們都高興得不得了。”然而他怎么也沒想到，經(jīng)過近10年的持續(xù)努力后，他們將會(huì)做出外廓尺寸超過5平方米的飛機(jī)高性能鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件來。
研制出的產(chǎn)品從150毫米到5平方米不僅是一個(gè)量的飛越，而且也是質(zhì)的飛躍，其技術(shù)難度可想而知，經(jīng)歷的失敗和技術(shù)研發(fā)的艱辛只有他們能體驗(yàn)和享受。
張述泉將團(tuán)隊(duì)的跨越式發(fā)展歸功于設(shè)計(jì)所的主導(dǎo)需求牽引的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式，“如果當(dāng)時(shí)沒有這種產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式，沒有國(guó)家重大需求的牽引主導(dǎo)作用，可能我們的研究進(jìn)程就比現(xiàn)在慢，需求牽引、產(chǎn)學(xué)研融合協(xié)同的創(chuàng)新模式也在推動(dòng)我們跨越式的發(fā)展。”
發(fā)揮產(chǎn)業(yè)力量：讓中國(guó)飛機(jī)真正“made in China”
我國(guó)自主研發(fā)的大型客機(jī)C919機(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，尺寸大、形狀復(fù)雜，是空間雙曲面構(gòu)件。國(guó)內(nèi)的飛機(jī)制造廠用傳統(tǒng)方法無法做出，只有歐洲一家公司能做出來，但是光每件模具費(fèi)就要價(jià)50萬美元，而交貨周期還要等兩年。2009年，王華明團(tuán)隊(duì)僅僅用55天時(shí)間就做出了零件，而且成本還不足歐洲鍛造模具費(fèi)的十分之一。大型客機(jī)研制中央翼一號(hào)肋鈦合金上緣條，傳統(tǒng)鍛件毛坯重達(dá)超過1600公斤，而采用他們研發(fā)成功的激光直接成形技術(shù)制造出的精坯重量還不到137公斤，節(jié)省鈦合金90%以上，切削加工重量還不到鍛件的5%！
多年來，王明華團(tuán)隊(duì)一直與沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、沈飛公司、西飛公司、成飛公司、中航商用發(fā)動(dòng)機(jī)公司等單位有著緊密合作。湯海波說：“做科研就是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，如果沒有設(shè)計(jì)所的配合和主機(jī)廠的支持，我們是走不到今天的。如果沒有應(yīng)用，我們就沒有發(fā)展。產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合起到了關(guān)鍵作用，是我們成功不可或缺的條件。”
如今，團(tuán)隊(duì)的高性能金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)已經(jīng)屬于國(guó)際領(lǐng)先水平，學(xué)校在北京市的大力支持下和中航工業(yè)集團(tuán)公司合作，在北京組建了中航天地激光科技有限公司成果產(chǎn)業(yè)化基地，他們正在挑戰(zhàn)新的任務(wù)——讓這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)成果從實(shí)驗(yàn)室真正走向工程化和產(chǎn)業(yè)化，讓未來中國(guó)的飛機(jī)能真正“made in China”。
（編輯：曉婧）