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3D打印:让中国飞机“中国造”


5月8日,在上海国际展览中心,一名观众拍摄一台正在打印椅子模型的3D打印机。

  5月8日,在上海国际展览中心,一名观众拍摄一台正在打印椅子模型的3D打印机。新华社发(赖鑫琳摄)

  你能想象万里长城、摩天大楼等巨型建筑物通过打印的方式被建造出来;甚至说,你的脸、手、脚……也被打印复制出来吗?这在未来的某一天或许将不再是奢望。

????近日,英国期刊《经济学人》以“3D打印:万里长城的新砖瓦”为题报道了增材制造技术在中国的飞速发展。其中介绍,“中国最大的3D打印机能制造出高性能、难加工大型飞机复杂整体关键构件”。这项代表着先进制造技术发展方向、在重大装备制造中具有巨大应用价值的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术、实现装机应用的国家,并因此获得“2012年度国家技术发明一等奖”。

  这台打印机和这项技术,属于北京航空航天大学的王华明教授和他的创新团队。

  瞄准国际前沿:中国团队的“神奇变形术”

  一束激光,有规则地在金属材料上游走,所过之处,金属神奇地生长。这束奇特的激光可以制造出飞机上任意一种复杂形状的大型零件,宛如“变形金刚”,令公众大呼“神奇”。

  “要是用飞机钛合金大型关键构件的传统制造方法,等零件最后成形,90%的材料都被切削、浪费掉了。”惊叹背后,数十年致力于材料科学研究的团队负责人王华明坦言,瞄准这一国际前沿技术的初衷在于“看不得浪费”,“传统飞机钛合金大型关键构件的制造方法是锻造和机械加工。先要熔铸大型钛合金铸锭、锻造制坯、加工大型锻造模具,然后再用万吨级水压机等大型锻造设备锻造出零件毛坯,最后再对毛坯零件进行大量机械加工。整个工序下来,耗时费力,总花费要高达几十个亿,光大型模具的加工就要用一年以上的时间,要动用几万吨级的水压机来工作,要大量供电,甚至需要建电厂。”

  落后的传统工艺激发了王华明和团队成员攻坚克难的斗志,也让一个关于“中国制造”的梦想悄然植根——“如果有一天,中国飞机上许多关键大型复杂高性能主承力构件都能采用我们激光直接制造技术,实现低成本、短周期、快速制造该多好啊!”

  梦想激励下,从2000年开始,王华明和他的科研团队启动攻关,围绕大型复杂零件锻造技术,不断创新,寻求突破,利用5年时间走出了一条与传统方法截然不同的新路子。

  他们探索了一种做“加法”的高性能金属零件制造方式——通过计算机控制,用激光将合金粉末熔化,并跟随激光有规则地在金属材料上游走,逐层堆积直接“生长”,直接根据零件CAD模型一步完成大型复杂高性能金属零部件的“近终成形”制造。

  这项技术可以制造出飞机上任意一种复杂形状的大型零件,宛如“变形金刚”,它的特点——高性能、低成本、短周期正好弥补了传统制造方法的不足,而且使得很多传统方法不能做出的构件成为可能。

  过去两三年才能做好的复杂大型零件,现在两三个月就能完成,而且只需两三个人在实验室里操作。如今,王华明他们的“变形金刚术”制作的零件已实实在在地装上了飞机,使我国成为世界上唯一掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及在飞机上装机应用技术的国家。

  立足国家需求:“为国家造,有意义!”

  王华明始终认为所有的创新都始于对实践和对现有知识的深度认识与灵活应用。要想创新必须脚踏实地,必须结合国家重大战略需求,创造具有实际价值的创新成果。十多年来,他这种追求创新的精神也潜移默化地影响了他的学生们。

  2001年,汤海波考上王华明教授的硕士研究生时,王华明就已经在做激光增材制造技术。“当时王老师提出这个瞄准国家战略需求和国际学科前沿发展方向的研究领域,以及与我国主要飞机设计所、制造公司合作的这种产学研结合的模式,对我们研究生有一种很大的吸引力。”汤海波毫不犹豫地选择了跟随王老师从事这方面的研究,如今他已经博士毕业留校,成为这个团队的骨干力量。

  与他一样,被这种“非常有意义的”目标所吸引而进入这个团队,还有很多学生。

  张述泉2003年读硕士正式加入王华明研究团队时,正赶上激光增材制造技术从科研摸索阶段步入初步工程化阶段。他十分享受带着红外眼镜,守在机器旁看着一个150毫米的小零件在激光中慢慢“生长”出来的过程。

  “那时候,七八个小时能做出一个A4纸大小的次承力结构件出来,我们都高兴得不得了。”然而他怎么也没想到,经过近10年的持续努力后,他们将会做出外廓尺寸超过5平方米的飞机高性能钛合金主承力结构件来。

  研制出的产品从150毫米到5平方米不仅是一个量的飞越,而且也是质的飞跃,其技术难度可想而知,经历的失败和技术研发的艰辛只有他们能体验和享受。

  张述泉将团队的跨越式发展归功于设计所的主导需求牵引的产学研结合模式,“如果当时没有这种产学研结合的模式,没有国家重大需求的牵引主导作用,可能我们的研究进程就比现在慢,需求牵引、产学研融合协同的创新模式也在推动我们跨越式的发展。”

  发挥产业力量:让中国飞机真正“made in China”

  我国自主研发的大型客机C919机头钛合金主风挡整体窗框,尺寸大、形状复杂,是空间双曲面构件。国内的飞机制造厂用传统方法无法做出,只有欧洲一家公司能做出来,但是光每件模具费就要价50万美元,而交货周期还要等两年。2009年,王华明团队仅仅用55天时间就做出了零件,而且成本还不足欧洲锻造模具费的十分之一。大型客机研制中央翼一号肋钛合金上缘条,传统锻件毛坯重达超过1600公斤,而采用他们研发成功的激光直接成形技术制造出的精坯重量还不到137公斤,节省钛合金90%以上,切削加工重量还不到锻件的5%!

  多年来,王明华团队一直与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、沈飞公司、西飞公司、成飞公司、中航商用发动机公司等单位有着紧密合作。汤海波说:“做科研就是产学研结合,如果没有设计所的配合和主机厂的支持,我们是走不到今天的。如果没有应用,我们就没有发展。产学研紧密结合起到了关键作用,是我们成功不可或缺的条件。”

  如今,团队的高性能金属构件激光增材制造技术已经属于国际领先水平,学校在北京市的大力支持下和中航工业集团公司合作,在北京组建了中航天地激光科技有限公司成果产业化基地,他们正在挑战新的任务——让这项创新技术成果从实验室真正走向工程化和产业化,让未来中国的飞机能真正“made in China”。(光明日报记者 邓 晖)