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点击: 507 发布时间: 2022-03-07

王华明院士《科创中国》演讲:3D打印,重大装备制造业的新机会

   近期,《科创中国》邀请到中国工程院院士,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

   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。

 

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