金属3D打印技术助力工业制造转型升级

站在那根3.07米高的C919中央翼缘条前，歼20总工程师杨伟久久凝视……让他特别感慨的是，这是一根用我国拥有完全知识产权的金属3D打印技术，“打印”出来的国产大飞机零部件。
　　尖端科技之花在产学研后“红”
　　这根钛合金材质的C919中央翼缘条，尺寸3.07米，重量196千克，于2012年1月打印成功，同年通过商飞的性能测试，2013年成功应用在国产大飞机C919首架验证机上。
　　这是国产机型首次在设计验证阶段，利用3D打印技术制备承力部件，在国际民机的设计生产中亦属首次。更重要的是，作为机翼关键部件，以我国当时的制造能力，还无法锻造出这样超大尺寸的复杂结构件。而如果向国外采购，又势必影响大飞机的国产化率。
　　“金属3D打印技术，为钛合金零部件的加工提供了新的技术途径，也为中国的航空制造打开了一扇新窗。”该技术研发人、西北工业大学教授黄卫东告诉笔者。
　　“3D打印”学名“增材制造技术”，原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后把要“打印”的材料按切片图形逐层叠加，最终“堆积”成完整的物体。
　　为C919制造中央翼缘条，是金属3D打印技术在航空领域应用的典型。黄卫东及其团队应用该技术所打印出的金属材料和零部件，目前已广泛应用于我国的导弹、飞机、火箭、卫星、航空发动机等领域，仅为国产各类飞机就制备了近两万个零部件，其中绝大部分已装机使用。
　　早在上世纪90年代初，黄卫东就关注起了能够快速成形、快速进行原型制造的“3D打印技术”。在他的西北工业大学本科同班同学、企业家折生阳的出资支持下，他持续20多年钻研金属3D打印技术，并不断取得重大突破。
　　2011年7月，应中国商飞经营合作要求，西北工业大学与折生阳、黄卫东共同组建了由西北工业大学技术控股的股份制企业——西安铂力特增材技术股份有限公司。西北工业大学和黄卫东出技术，折生阳等出资金，黄卫东任董事长，折生阳为副董事长。
　　产权明晰，责权利清晰的校企合作，促使这一尖端成果加速实现产学研融合。其最具标志性的成果，正是那根3.07米高的C919中央翼缘条。
　　回忆起这件“缘条”，黄卫东等人至今印象深刻。2011年年初，“课题组”接到要为C919打印中央翼缘条任务。他们奋力拼搏、日夜鏖战，不到1年时间，在废旧教学实验厂房里建成了现代化工厂，研制出金属3D打印专用设备，完成了一系列要求极高的性能测试工作，同时组建西安铂力特公司，并赶在2012年年初完成了打印缘条的准备工作。
　　此后，团队20多人加班加点，与时间赛跑，终于赶在2012年1月22日上午，一次性成功打印完成了第一件C919中央翼缘条。“那天正逢大年三十。”当天中午，西北工业大学周尧和院士激动地宴请攻坚团队吃了顿团圆饭，“团圆饭从中午一直吃到大年三十晚上，大多数人都喝多了！”吃完饭、喝完酒，已是新年的大年初一，团队成员赵晓明才想起还没置办年货。
　　公司化后，黄卫东团队的金属3D打印技术在科研上突飞猛进，产业化也进展神速。2018年，这一技术为中国商飞、中航工业、中国航发、中国航天科工、中国航天科技等200多家单位，增材制造超过3万件金属零件，批量应用于一批先进的飞机、发动机、火箭和卫星等国家重大任务。
　　行业翘楚引得“空客”来
　　2017年3月，在上海举行的亚洲3D打印、增材制造博览会上，一件超大尺寸的航空发动机叶片吸引了参观者的目光。
　　这件933厘米的零件，是目前世界上SLM（铺粉方式）技术打印的一次成形尺寸最大的钛合金零件。叶片重量与同尺寸碳纤维复合材料叶片相当，但侧向性能更好，整体化成形也使得零件的可靠性大大提高。
　　航空发动机关键零部件，传统技术生产难度极高。黄卫东团队的金属3D打印技术，做到了简单化生产，只需电脑设计好打印程序，按切面一层层打印即可。
　　黄卫东告诉笔者，金属3D打印技术的优势，一是几乎能制造出任何复杂结构的零件，非传统技术可比；同时，其轻量化、拓扑优化的特点，又能为材料实现可观的减重，这在对重量“斤斤计较”的航空航天领域尤其重要。
　　另外，航空航天零件结构复杂、成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，可能造成不可估量的损失。但通过金属3D打印技术，就可用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大节约了时间和金钱。
　　与此同时，他们还开发出激光金属3D打印商用设备，这使铂利特公司不仅成为目前国内最大的金属3D打印零件加工商，也成了技术最领先的金属3D打印高端设备制造商。
　　“我们只和全世界最优秀的团队合作”。2014年3月，欧洲空中客车公司与西北工业大学和铂力特签署合作协议，共同开发激光立体成形技术（激光3D打印技术的一种）在航空领域的应用。
　　空客主动找上门来要求合作，一是看中公司有“最优秀”的科研团队，二是看中公司有“最优秀”的运营团队。
　　铂力特公司技术来源于西北工业大学，依托西北工业大学凝固技术国家重点实验室和激光制造工程中心，科研实力雄厚；拥有一支高精尖科研精英团队，研发人员占全员的40%，超过30%的员工拥有硕士以上学历。
　　铂力特公司的运行机制独树一帜。虽然西北工业大学和黄卫东拥有的共同技术股份占51%，黄卫东出任公司董事长，但公司实际控制人是懂企业会经营的折生阳。折生阳拥有公司重大事项一票否决权，把握着公司的运营方向。
　　“让教授干教授的事情，让企业家干企业家的事情。”既当过科研人员、又当过科技管理干部、已下海营商20多年的折生阳这样说。在公司发生重大争议时，折生阳的“最后一票”尤显重要。
　　当年，在生产出激光金属3D打印设备后，多数人都认为不应该将自家的这一“聚宝盆”推向市场让与他人。折生阳从企业长远发展角度认为应该卖，先共同把市场做大，企业也能多条腿走路。激烈争吵之后，折生阳运用自己的一票否决权，大胆推动公司将设备推向市场，这也才有了这些设备在众多单位和企业的热销，并成功出口法德，享誉欧洲。
　　2018年，铂力特通过了空客公司IPCA认证，启动了空客A330增材制造项目，成为空客亚洲区唯一的金属增材制造合格供应商。同年8月，空客又与西北工业大学和铂力特分别签署联合科研合作协议，三方进入联合研发时代。
　　让设计更自由，让制造更简单
　　2014年，歼20总师杨伟来西北工业大学专程考察金属3D打印技术。在那根3.07米高的C919中央翼缘条旁，一同展出的还有专为歼20试制的部分金属3D打印零部件。杨伟看了又看，摸了又摸，感慨万千。
　　杨伟之所以震撼于金属3D打印技术，是因为设计历来都要受限于生产技术和生产工艺。拿飞机设计来说，即使有再好的空气动力学设计、再好的综合性能设计，如果没有一家公司能生产出来，没有一个工厂能加工出适配的零部件，再好的设计都是白搭——金属3D打印技术已经解决和正在解决这一难题。
　　人类制造，从原始人打制石器最早开端。这也正是持续百万年一直到今天的“减材制造”，即不断把多余的部分去掉。机械制造时代的切、割、钻、铣等工艺，包括精密的数控机床冷加工都是“减材制造”。有了火之后热加工的锻、打、锤、敲等制造属于“等材制造”，最典型最简单的就是铁匠打铁。
　　无论是减材制造还是等材制造都有局限性：一是无法整体加工复杂零部件，都是先生产出一个个不同结构的零件，然后再或铆或焊、或连或接，耗时耗工；二是根本无法加工超异形超复杂超薄壁结构体；三是难以为零部件减重。
　　而这些，金属3D打印技术都可以克服。“可能有一天，我们甚至会整体打印出一套完整的航空发动机。”团队成员、公司总工程师赵晓明激情澎湃。
　　相比减材制造和等材制造，增材制造无疑是一场巨大的革命。
　　黄卫东说，在C919的设计验证阶段，中央翼缘条的成功试制贡献巨大，传统工艺6个月才能完成的制造工作，用金属3D打印技术耗时仅仅5天，并且一次成形，一次成功，金属原料钛合金涂层粉末，更是几乎没有半点浪费。
　　黄卫东的博士生、铂力特总经理薛蕾说，金属3D打印出的蜂窝状金属结构体，因良好的力学性能，轻量化、拓扑优化的特点，可以广泛应用于对材料要求极其严苛的航空航天航发领域。比如，替代传统技术所生产的机翼、机身材料，在坚固结实的同时，大大地减轻航空航天器材自重，设计人员就无需再经常为减重而不得不牺牲飞机性能，牺牲武器挂载。
　　薛蕾介绍，他们目前在航空航天航发领域打印的两万余件零部件，在产品结构优化和功能提升的同时，均实现了整体结构减重，最高减重超过60%。
　　“金属3D打印正在创造一个宏大的新世界，今天，这个宏大的新世界仅仅是展现出一抹晨曦。”在黄卫东看来，热加工的发明，使人类从“石器时代”进入“金属器时代”，冷加工的发明则推动人类进入“复杂机械时代”，而增材制造必将促成人类制造能力的又一次大飞跃。
　　“它将带动人类进入全新的‘自由设计时代’，并从根本上转变制造方式，推动社会产生更进一步的巨大变革。”黄卫东和薛蕾告诉笔者，革命性的金属3D打印技术将“让设计更自由、让制造更简单”，将弥补我国传统金属加工业的短板和不足，助力中国工业制造完成从“机械加工”到“智能制造”的转变。