金屬增材制造技術(shù) 及其對重大裝備制造業(yè)的影響

由于原理性制約，金屬大型構(gòu)件的制造能力或者材料的性能水平受到限制。3D打印技術(shù)可以讓大的、復(fù)雜的、多品種的、小批量關(guān)鍵金屬構(gòu)件實現(xiàn)高性能、低成本、快速制造。3D打印會給金屬制造帶來三個方面的變革：改變構(gòu)件結(jié)構(gòu)、改變材料、改變重大裝備的制造模式。

目前重大裝備的材料與技術(shù)挑戰(zhàn)

重大裝備的制造基礎(chǔ)是大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造，涉及工業(yè)領(lǐng)域的幾個方面，一個是材料工業(yè)，另一個就是制造工業(yè)。未來裝備制造的發(fā)展趨勢主要涉及這兩個方面。

一方面，重大裝備越來越大，比如運(yùn)載火箭越來越重，要求高性能、多功能、高可靠和長壽命，這是基本的趨勢。在這種基本趨勢條件下，制造這些大型裝備關(guān)鍵的金屬構(gòu)件材料，在可預(yù)見的將來還得是金屬。但是，若要提高金屬性能，就得把金屬合金化，在金屬里加更多合金元素，合金越來越復(fù)雜，對它的控制要求越來越高。

另一方面，未來的裝備制造零件也會越來越大，壽命越來越高，可靠性越來越強(qiáng)。這時候，制造裝備用的構(gòu)件材料肯定會越來越復(fù)雜、越來越先進(jìn)，裝備的結(jié)構(gòu)也會越來越大、越來越輕、越來越復(fù)雜。與此同時，對制造技術(shù)的要求肯定也是更智能化、低成本、快周期，這是基本的趨勢。

對這些大型的、高合金化的、特殊的合金大構(gòu)件，采用傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)，就受到傳統(tǒng)冶金技術(shù)原理的制約。金屬材料本來很簡單，它可以被處理得非常細(xì)，就像面粉一樣，再在面粉中加入糖、鹽，可以拌得非常均勻，揉出來的面條就可以沒有孔洞、塑性高、強(qiáng)度好?，F(xiàn)在的問題是，使用金屬材料做小的構(gòu)件沒有問題，但如果做大構(gòu)件，比如做100噸的或者幾十噸的零件，面臨的問題就很多。我們需要先煉出一大堆鋼，但首先鋼水不容易煉均勻，其次冷卻得很慢。假設(shè)100噸鋼水澆上去，20天可能都冷卻不下來。冷卻速度慢，鋼水結(jié)晶的晶粒就會非常粗，晶粒大，化學(xué)成分就會非常不均勻。這就注定了構(gòu)件芯部肯定有氣孔、不致密。因此，金屬做小零件是可以的，做大零件不行。如果用粉末冶金，就是做10微米、20微米、100微米的鑄錠，這樣會冷卻得很快。這是冶金原理的制約。

由于原理性制約，導(dǎo)致金屬大型構(gòu)件的制造能力或者材料的性能水平受到限制。從本質(zhì)上說，我認(rèn)為目前到了天花板，未來短期內(nèi)也不可能有實質(zhì)性的進(jìn)展，這是現(xiàn)實狀況。由于大型構(gòu)件制造能力的制約，導(dǎo)致裝備技術(shù)進(jìn)步也非常困難。比如，過去70年，殲擊機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，即飛機(jī)的自重占飛機(jī)的重量百分?jǐn)?shù)，從來沒有突破過27%，即便世界上最先進(jìn)的飛機(jī)，它的自重也占了起飛重量的27%以上，這是一個基本的現(xiàn)實。

3D打印給金屬制造帶來變革

3D打印會使裝備制造目前的局面得以改觀。這個打印過程，可以用激光，可以用電子塑，可以用等離子塑，也可以用電弧，甚至可以用電鑄快速融化材料。通過快速融化、快速凝固制備出材料。通過3D打印，可能更加快速有效地制造出一個大零件，這個零件也許需要花費(fèi)30小時，也許50小時，就能制造出一個特別大的零件。而在傳統(tǒng)制造方法下，需要先煉鑄錠、開模具，然后用萬噸級的水壓機(jī)打鍛件，做出來的東西可能90%以上還要靠加工。3D打印則通過微區(qū)冶金、快速凝固、化整為零，它的材料已經(jīng)制備，冶金過程已經(jīng)完成，是數(shù)字化控制的。從這個意義上說，我認(rèn)為3D打印是最具備智能制造特征的。

3D打印會給金屬制造帶來三個方面的變革。

首先，3D打印改變構(gòu)件結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在談得很多的智能制造，大多還是外形的東西。在我看來，3D打印為結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新，或者顛覆性的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新帶來機(jī)會，而對結(jié)構(gòu)的影響是最大的。這意味著，一架飛機(jī)原來有一萬個零件，現(xiàn)在可能變成二百個，原來輜重50噸，也許以后變成5噸，它靠結(jié)構(gòu)帶來變化。材料非常重要，但是結(jié)構(gòu)更重要。結(jié)構(gòu)帶來變化之后，以前做強(qiáng)度做結(jié)構(gòu)研究的人們可以發(fā)現(xiàn)，3D打印就是把三維的東西變成二維來實現(xiàn)，構(gòu)件尺寸、形狀與結(jié)構(gòu)無限制。

例如一個鈦合金的構(gòu)件，用傳統(tǒng)方法去做會很困難，可能開一套模具就是上千萬元。比較大的鈦合金零件，其實用傳統(tǒng)方法是做不出來的。超過16平方米的鈦合金構(gòu)件，全世界的鍛造機(jī)都是不可能鍛出來的。這樣的零件原來可能十幾個零件加工以后焊在一起變成一個。但是3D打印就不一樣。運(yùn)載火箭上的四個零件，就能讓這個火箭減重300公斤，這是3D打印的優(yōu)勢。對航空發(fā)動機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)來說，3D打印能解決它的材料問題、解決它的結(jié)構(gòu)問題，尤其是解決它的結(jié)構(gòu)問題是比較容易的。假設(shè)現(xiàn)在一架運(yùn)輸機(jī)是100噸，起飛重量200噸，未來的3D打印可能會實現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)起飛重量還是200噸，自重可能是10噸了。它的結(jié)構(gòu)會帶來顛覆性的變化。

其次是改變材料。3D打印把不同的材料組合在一起，或者利用極端的條件，突破傳統(tǒng)冶金對材料制備及性能的原理性瓶頸，實現(xiàn)新一代高性能設(shè)備與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，突破性發(fā)展新的材料。微區(qū)冶金沒有傳統(tǒng)鑄鍛宏觀冶金的缺陷和偏析，實現(xiàn)晶粒細(xì)小、成分均勻、性能優(yōu)異等特性，構(gòu)件性能逐點可控，無壁厚效應(yīng)、無位置效應(yīng)，擺脫傳統(tǒng)冶金對合金設(shè)計的制約。

3D打印能夠制造出傳統(tǒng)冶金制造做不出來的材料。比如要向鋁合金里面加鎢，鎢的熔點3000多度，鋁的熔點只有600度，用傳統(tǒng)的方法在鋁中加鎢是加不進(jìn)去的。3D打印就可能可以做到，開發(fā)出來的就是全新的材料。

最重要的是，如果用傳統(tǒng)的鍛鑄做出來的零件，不可能零件的任何部位都能精確控制。3D打印就可以做到任何部位數(shù)字可控，無壁厚效應(yīng)、無位置效應(yīng)。這個就帶來了材料的變革。3D打印的原理就決定了如果控制得好的話，它的特性就會好。

最后一個變革，是可能會改變重大裝備的制造模式，可能會讓裝備的研制、生產(chǎn)模式帶來變化。比如，3D打印從塑模開始，把粉、絲這些原料變成材料，同時變成零件，也許上面所有工作完成就在幾十個小時之內(nèi)，不需要任何的重工業(yè)裝備。之后，這些零件可以被用于做加工、做裝配。

需要補(bǔ)充說明的是，3D打印僅僅是制造技術(shù)當(dāng)中的一種成型技術(shù)而已，并不是說有了3D打印，其他的制造技術(shù)就不需要了。3D打印之后也還是需要機(jī)械加工、裝配、表面處理等過程。

現(xiàn)在，信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、模擬技術(shù)、仿真技術(shù)發(fā)展得非?？欤苍S未來我們需要的只是一臺裝備。這種情況下， 3D打印技術(shù)可以讓大的、復(fù)雜的、多品種的、小批量關(guān)鍵的金屬構(gòu)件實現(xiàn)高性能、低成本、快速制造。而如果采用傳統(tǒng)的技術(shù)，大型的、復(fù)雜的、多品種的、單件的金屬構(gòu)件，一定有性能差、成本高、一定產(chǎn)品周期長的問題。所以我認(rèn)為3D打印可能會帶來一種制造模式的變革，顛覆性的變革。

隨著3D打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整。我也希望更多人能夠?qū)?D打印技術(shù)有更多的關(guān)心，對大型金屬構(gòu)件的增材制造方面的研究，能夠更加深入。

3D打印技術(shù)帶來的將是新一代的材料，基于特殊冶金的新一代材料也是未來的發(fā)展方向。但是，關(guān)于3D打印技術(shù)的研究，我們還有很長的路要走，尤其是基礎(chǔ)研究。如果沒有基礎(chǔ)研究，那些概念和理念，不過就是講講故事而已。

本文根據(jù)王華明院士在國家制造強(qiáng)國建設(shè)專家論壇（寧波）上的主題演講速記稿整理而成。