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王華明《院士開講》增材制造將改變重大裝備制造業(yè) 

2022-03-03 14:40
《科創(chuàng)中國(guó)·院士開講》是“科創(chuàng)中國(guó)”與抖音聯(lián)合打造的大型視頻知識(shí)類欄目,由中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院院士作為主講嘉賓。

本期,我們請(qǐng)到中國(guó)工程院院士,北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院教授,大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任王華明作為主講嘉賓,為我們分享增材制造技術(shù)對(duì)重大裝備結(jié)構(gòu)、材料和制造業(yè)的影響。
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把三維復(fù)雜問題平面化

增材制造,俗稱3D打印,發(fā)明于1980年左右,得益于計(jì)算機(jī)技術(shù),使得制造過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。王華明院士總結(jié)道,所謂增材制造,就是把零件切分成無(wú)窮多的平面,把三維復(fù)雜的零件當(dāng)成二維平面問題來(lái)解決,主要靠熔化等方式來(lái)逐層堆積材料,從而制造出實(shí)體物品。
按材料來(lái)分的話,增材制造可分為非金屬增材制造(包括陶瓷和高分子)、金屬增材制造、生物組織增材“制造”。

其中,金屬增材制造的關(guān)注度較高。王華明院士介紹了金屬增材制造的兩種方法,一種是粉床選區(qū)熔化或者叫鋪粉,它可以做出非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu),例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴、鈦合金的生物植入體等。
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另一種是同步送粉/絲熔化沉積,通過(guò)這種方式可以快速制作大型構(gòu)件,例如發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤、超高強(qiáng)度鋼的起落架等。
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突破材料冶金天花板

大型關(guān)鍵受力構(gòu)件的制造,是核電站、高鐵、飛機(jī)、運(yùn)載火箭等重大裝備制造的基礎(chǔ)。據(jù)王華明院士介紹,重大裝備的關(guān)鍵受力構(gòu)件一般是金屬,然而受傳統(tǒng)冶金/塑性成形技術(shù)的“原理性”制約,重大裝備大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造能力和材料性能已近極限。
未來(lái)重大裝備的發(fā)展又呈現(xiàn)大型化、高性能、極端服役、高可靠、長(zhǎng)壽命、低成本的趨勢(shì),要求嚴(yán)苛,“這實(shí)際上是面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)”,王華明院士說(shuō),因?yàn)橐坏┳龃罅慵?,冷卻速度慢了,晶體就會(huì)粗,化學(xué)成分不均勻,完全不致密,只能靠鍛造去補(bǔ)救,而補(bǔ)救是有限度的。
而增材制造“突破了材料冶金的天花板”,可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻,以微區(qū)的冶金取代傳統(tǒng)的鍛造冶金,既不需要模具、鍛造裝備,也不需要煉鋼、煉鐵,做出來(lái)之后經(jīng)過(guò)少量加工就可以得到最終的零件。
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原則上來(lái)說(shuō),所有金屬都適用于增材制造,不過(guò)王華明院士認(rèn)為,現(xiàn)階段,越大、越復(fù)雜、性能要求越高的零件,使用3D打印的優(yōu)勢(shì)越大,如果是制作普通螺絲釘這類的零件,傳統(tǒng)方法的性價(jià)比更高。

制造大型金屬構(gòu)件的瓶頸

真正用增材制造做大型金屬構(gòu)件并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的話,瓶頸在哪?王華明院士提到了幾點(diǎn)需要考慮的問題:

首先,3D打印時(shí),長(zhǎng)時(shí)間劇烈加熱或劇烈冷卻會(huì)帶來(lái)非常大的熱應(yīng)力,構(gòu)件容易變形開裂,如何控制增材過(guò)程中的熱應(yīng)力是基礎(chǔ)問題,也是最難的問題。

其次,3D打印過(guò)程中,如何通過(guò)控制冶金、控制凝固、控制固態(tài)相變,來(lái)保證構(gòu)件的質(zhì)量?萬(wàn)一產(chǎn)生缺陷,如何檢驗(yàn)出來(lái)?“我認(rèn)為這是核心,如果這個(gè)過(guò)程得不到控制,做出來(lái)零件的品質(zhì)是不行的,品質(zhì)不行,你根本不可能把它用在一些關(guān)鍵構(gòu)件上”,王華明院士說(shuō)。
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再次,需要對(duì)工藝過(guò)程有很好的控制和掌握,使其穩(wěn)定生產(chǎn)。
另外,必須建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),“標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用的通行證”。
最后,任何一個(gè)技術(shù)要走向應(yīng)用,一定要把性價(jià)比作為前提,做到低價(jià)格、高效率、短周期。

對(duì)重大裝備制造業(yè)的影響

王華明院士認(rèn)為,3D打印技術(shù)會(huì)給重大裝備制造業(yè)帶來(lái)以下三方面影響:

一、變革裝備結(jié)構(gòu)。由于增材制造是把三維問題當(dāng)成二維來(lái)做,零件的大小、形狀、尺寸理論上說(shuō)不再受制約。從這個(gè)意義上說(shuō),它將會(huì)改變未來(lái)裝備的結(jié)構(gòu),“也許以后飛機(jī)整個(gè)機(jī)身就變成兩個(gè)零件,那不是什么神話。我認(rèn)為這是能做到的?!?br />
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二、變革裝備材料。3D打印過(guò)程中,可以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)逐層地改變?nèi)魏尾课坏幕瘜W(xué)成分,也可以控制每一點(diǎn)的溫度、冷卻速度,讓零件的不同部位有不同的性質(zhì),這是易如反掌的。此外,利用這種極端的冶金條件,有望發(fā)展出新一代金屬材料,例如新一代鈦合金、新一代超高強(qiáng)度鋼等,不受目前冶金原理的約束,這也是王華明院士團(tuán)隊(duì)的一個(gè)研究方向。
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三、變革大型裝備生產(chǎn)模式。由于3D打印是直接從數(shù)模變成零件,不再需要傳統(tǒng)的冶金工業(yè)、鍛造工業(yè),因此它會(huì)改變裝備的研制模式。“也許未來(lái)的裝備都會(huì)是個(gè)性化的、小批量的,就是因?yàn)槟硞€(gè)目的我就是造一臺(tái)兩臺(tái),造完之后可能馬上就改型”,王華明院士暢想。
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王華明院士強(qiáng)調(diào),用增材制造這種方法為重大裝備服務(wù),前途毫無(wú)疑問是光明的,“但是我們還需要潛下心來(lái),去做大量細(xì)致的、深入的研究,真正讓3D打印做大型關(guān)鍵構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)?!?br />
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