利用金屬3D打印技術(shù)打印出的鈦合金鏤空點陣結(jié)構(gòu)。李晨/攝
傳統(tǒng)工藝6個月才能完成的制造工作，用金屬3D打印技術(shù)耗時僅5天
3D打印3.07米高C919中央翼緣條
站在那根3.07米高的C919中央翼緣條前，殲20總師楊偉久久凝視……讓他特別感慨的是，這是一根用我國擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的金屬3D打印技術(shù)，“打印”出來的國產(chǎn)大飛機(jī)零部件。
尖端科技之花在產(chǎn)學(xué)研后“紅”
這根鈦合金材質(zhì)的C919中央翼緣條，尺寸3.07米，重量196千克，于2012年1月打印成功，同年通過商飛的性能測試，2013年成功應(yīng)用在國產(chǎn)大飛機(jī)C919首架驗證機(jī)上。
這是國產(chǎn)機(jī)型首次在設(shè)計驗證階段，利用3D打印技術(shù)制備承力部件，在國際民機(jī)的設(shè)計生產(chǎn)中亦屬首次。更重要的是，作為機(jī)翼關(guān)鍵部件，以我國當(dāng)時的制造能力，還無法鍛造出這樣超大尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。而如果向國外采購，又勢必影響大飛機(jī)的國產(chǎn)化率。
“金屬3D打印技術(shù)，為鈦合金零部件的加工提供了新的技術(shù)途徑，也為中國的航空制造打開了一扇新窗。”該技術(shù)研發(fā)人、西北工業(yè)大學(xué)教授黃衛(wèi)東告訴中國青年報·中青在線記者。
“3D打印”學(xué)名“增材制造技術(shù)”，原理是將計算機(jī)設(shè)計出的三維模型分解成若干層平面切片，然后把要“打印”的材料按切片圖形逐層疊加，最終“堆積”成完整的物體。
為C919制造中央翼緣條，是金屬3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的典型。黃衛(wèi)東及其團(tuán)隊?wèi)?yīng)用該技術(shù)所打印出的金屬材料和零部件，目前已廣泛應(yīng)用于我國的導(dǎo)彈、飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、航空發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域，僅為國產(chǎn)各類飛機(jī)就制備了近兩萬個零部件，其中絕大部分已裝機(jī)使用。
早在上世紀(jì)90年代初，黃衛(wèi)東就關(guān)注起了能夠快速成形、快速進(jìn)行原型制造的“3D打印技術(shù)”。在他的西工大本科同班同學(xué)、企業(yè)家折生陽的出資支持下，他持續(xù)20多年鉆研金屬3D打印技術(shù)，并不斷取得重大突破。
2011年7月，應(yīng)中國商飛經(jīng)營合作要求，折生陽與西工大及黃衛(wèi)東等人共同組建了由西工大技術(shù)控股的股份制企業(yè)——西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司。西工大和黃衛(wèi)東出技術(shù)，折生陽等出資金，黃任董事長，折為副董事長。
產(chǎn)權(quán)明晰，責(zé)權(quán)利清晰的校企合作，促使這一尖端成果加速實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研融合。其最具標(biāo)志性的成果，正是那根3.07米高的C919中央翼緣條。
回憶起這件“緣條”，黃衛(wèi)東等人至今印象深刻。2011年年初，“課題組”接到要為C919打印中央翼緣條任務(wù)。他們奮力拼搏、日夜鏖戰(zhàn)，不到1年時間，在廢舊教學(xué)實驗廠房里建成了現(xiàn)代化工廠，研制出金屬3D打印專用設(shè)備，完成了一系列要求極高的性能測試工作，同時組建西安鉑力特公司，并趕在2012年年初完成了打印緣條的準(zhǔn)備工作。
此后，團(tuán)隊20多人加班加點，與時間賽跑，終于趕在2012年1月22日上午，一次性成功打印完成了第一件C919中央翼緣條。“那天正逢大年三十。”當(dāng)天中午，激動的西工大周堯和院士宴請攻堅團(tuán)隊吃了頓團(tuán)圓飯，“團(tuán)圓飯從中午一直吃到大年三十晚上，大多數(shù)人都喝多了!”吃完飯、喝完酒，已是新年的大年初一，團(tuán)隊成員趙曉明才想起還沒置辦年貨。
公司化后，黃衛(wèi)東團(tuán)隊的金屬3D打印技術(shù)在科研上突飛猛進(jìn)，產(chǎn)業(yè)化也進(jìn)展神速。2018年，這一技術(shù)為中國商飛、中航工業(yè)、中國航發(fā)、中國航天科工、中國航天科技等200多家單位，增材制造超過3萬件金屬零件，批量應(yīng)用于一批先進(jìn)的飛機(jī)、發(fā)動機(jī)、火箭和衛(wèi)星等國家重大任務(wù)。
鉑力特公司副總經(jīng)理楊東輝展示采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“金屬3D打印”技術(shù)和設(shè)備，打印出的C919中央翼緣條。李晨/攝
行業(yè)翹楚引得“空客”來
2017年3月，在上海舉行的亞洲3D打印、增材制造博覽會上，一件超大尺寸的航空發(fā)動機(jī)葉片吸引了參觀者的目光。
這件933mm的零件，是目前世界上SLM(鋪粉方式)技術(shù)打印的一次成形尺寸最大的鈦合金零件。葉片重量與同尺寸碳纖維復(fù)合材料葉片相當(dāng)，但側(cè)向性能更好，整體化成形也使得零件的可靠性大大提高。
航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件，傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)難度極高。黃衛(wèi)東團(tuán)隊的金屬3D打印技術(shù)，做到了簡單化生產(chǎn)，只需電腦設(shè)計好打印程序，按切面一層層打印即可。
黃衛(wèi)東告訴中國青年報·中青在線記者，金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，一是幾乎能制造出任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，非傳統(tǒng)技術(shù)可比;同時，其輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化的特點，又能為材料實現(xiàn)可觀的減重，這在對重量“斤斤計較”的航空航天領(lǐng)域尤其重要。
另外，航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成不可估量的損失。但通過金屬3D打印技術(shù)，就可用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大節(jié)約了時間和金錢。
與此同時，他們還開發(fā)出激光金屬3D打印商用設(shè)備，這使鉑利特公司不僅成為目前國內(nèi)最大的金屬3D打印零件加工商，也成了技術(shù)最領(lǐng)先的金屬3D打印高端設(shè)備制造商。
“我們只和全世界最優(yōu)秀的團(tuán)隊合作”。2014年3月，歐洲空中客車公司與西工大和鉑力特簽署合作協(xié)議，共同開發(fā)激光立體成形技術(shù)(激光3D打印技術(shù)的一種)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。
空客主動找上門來要求合作，一是看中公司有“最優(yōu)秀”的科研團(tuán)隊，二是看中公司有“最優(yōu)秀”的運營團(tuán)隊。
鉑力特公司技術(shù)來源于西工大，依托西工大凝固技術(shù)國家重點實驗室和激光制造工程中心，科研實力雄厚;擁有一支高精尖科研精英團(tuán)隊，研發(fā)人員占全員的40%，超過30%的員工擁有碩士以上學(xué)歷。
鉑力特公司的運行機(jī)制獨樹一幟。雖然西工大和黃衛(wèi)東擁有的共同技術(shù)股份占51%，黃衛(wèi)東出任公司董事長，但公司實際控制人是懂企業(yè)會經(jīng)營的折生陽。折擁有公司重大事項一票否決權(quán)，把握著公司的運營方向。
“讓教授干教授的事情，讓企業(yè)家干企業(yè)家的事情”——既當(dāng)過科研人員、又當(dāng)過科技管理干部、已下海營商20多年的折生陽這樣說。在公司發(fā)生重大爭議時，折生陽的“最后一票”尤顯重要。
當(dāng)年，在生產(chǎn)出激光金屬3D打印設(shè)備后，多數(shù)人都認(rèn)為不應(yīng)該將自家的這一“聚寶盆”推向市場讓與他人。折生陽從企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展角度認(rèn)為應(yīng)該賣，先共同把市場做大，企業(yè)也能多條腿走路。激烈爭吵之后，折運用自己的一票否決權(quán)，大膽推動公司將設(shè)備推向市場，這也才有了這些設(shè)備在眾多單位和企業(yè)的熱銷，并成功出口歐洲，享譽法德。
2018年，鉑力特通過了空客公司IPCA認(rèn)證，啟動了空客A330增材制造項目，成為空客亞洲區(qū)唯一的金屬增材制造合格供應(yīng)商。同年8月，空客又與西工大和鉑力特分別簽署聯(lián)合科研合作協(xié)議，三方進(jìn)入聯(lián)合研發(fā)時代。
讓設(shè)計更自由，讓制造更簡單
2014年，殲20總師楊偉來西工大專程考察金屬3D打印技術(shù)。在那根3.07米高的C919中央翼緣條旁，一同展出的還有專為殲20試制的部分金屬3D打印零部件。楊偉看了又看，摸了又摸，感慨萬千。
楊偉之所以震撼于金屬3D打印技術(shù)，是因為設(shè)計歷來都要受限于生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝。拿飛機(jī)設(shè)計來說，即使有再好的空氣動力學(xué)設(shè)計、再好的綜合性能設(shè)計，如果沒有一家公司能生產(chǎn)出來，沒有一個工廠能加工出適配的零部件，再好的設(shè)計都是白搭——金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)解決和正在解決這一難題。
人類制造，從原始人打制石器最早開端。這也正是持續(xù)百萬年一直到今天的“減材制造”，即不斷把多余的部分去掉。機(jī)械制造時代的切、割、鉆、銑等工藝，包括精密的數(shù)控機(jī)床冷加工都是“減材制造”。有了火之后熱加工的鍛、打、錘、敲等制造屬于“等材制造”，最典型最簡單的就是鐵匠打鐵。
無論是減材制造還是等材制造都有局限性：一是無法整體加工復(fù)雜零部件，都是先生產(chǎn)出一個個不同結(jié)構(gòu)的零件，然后再或鉚或焊、或連或接，耗時耗工;二是根本無法加工超異形超復(fù)雜超薄壁結(jié)構(gòu)體;三是難以為零部件減重。
而這些，金屬3D打印技術(shù)都可以克服。“可能有一天，我們甚至?xí)w打印出一套完整的航空發(fā)動機(jī)。”團(tuán)隊成員、公司總工程師趙曉明激情澎湃。
相比減材制造和等材制造，增材制造無疑是一場巨大的革命。
黃衛(wèi)東說，在C919的設(shè)計驗證階段，中央翼緣條的成功試制貢獻(xiàn)巨大，傳統(tǒng)工藝6個月才能完成的制造工作，用金屬3D打印技術(shù)耗時僅僅5天，并且一次成形，一次成功，金屬原料鈦合金涂層粉末，更是幾乎沒有半點浪費。
黃衛(wèi)東的博士生、鉑力特總經(jīng)理薛蕾說，金屬3D打印出的蜂窩狀金屬結(jié)構(gòu)體，因良好的力學(xué)性能，輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化的特點，可以廣泛應(yīng)用于對材料要求極其嚴(yán)苛的航空航天航發(fā)領(lǐng)域。比如，替代傳統(tǒng)技術(shù)所生產(chǎn)的機(jī)翼、機(jī)身材料，在堅固結(jié)實的同時，大大地減輕航空航天器材自重，設(shè)計人員就無需再經(jīng)常為減重而不得不犧牲飛機(jī)性能，犧牲武器掛載。
薛蕾介紹，他們目前在航空航天航發(fā)領(lǐng)域打印的兩萬余件零部件，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能提升的同時，均實現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)減重，最高減重超過60%。
“金屬3D打印正在創(chuàng)造一個宏大的新世界，今天，這個宏大的新世界僅僅是展現(xiàn)出一抹晨曦。”在黃衛(wèi)東看來，熱加工的發(fā)明，使人類從“石器時代”進(jìn)入“金屬器時代”，冷加工的發(fā)明則推動人類進(jìn)入“復(fù)雜機(jī)械時代”，而增材制造必將促成人類制造能力的又一次大飛躍。
“它將帶動人類進(jìn)入全新的‘自由設(shè)計時代’，并從根本上轉(zhuǎn)變制造方式，推動社會產(chǎn)生更進(jìn)一步的巨大變革。”黃衛(wèi)東和薛蕾告訴記者：革命性的金屬3D打印技術(shù)將“讓設(shè)計更自由、讓制造更簡單”，將彌補我國傳統(tǒng)金屬加工業(yè)的短板和不足，助力中國工業(yè)制造完成從“機(jī)械加工”到“智能制造”的轉(zhuǎn)變。
中國青年報·中青在線記者 黃博 孫海華
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