你能想象萬里長城、摩天大樓等巨型建筑物通過打印的方式被建造出來；甚至說，你的臉、手、腳……也被打印復(fù)制出來嗎？這在未來的某一天或許將不再是奢望。
近日，英國期刊《經(jīng)濟學(xué)人》以“3D打?。喝f里長城的新磚瓦”為題報道了增材制造技術(shù)在中國的飛速發(fā)展。其中介紹，“中國最大的3D打印機能制造出高性能、難加工大型飛機復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件”。這項代表著先進制造技術(shù)發(fā)展方向、在重大裝備制造中具有巨大應(yīng)用價值的“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”，使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)、實現(xiàn)裝機應(yīng)用的國家，并因此獲得“2012年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎”。
這臺打印機和這項技術(shù)，屬于北京航空航天大學(xué)的王華明教授和他的創(chuàng)新團隊。
瞄準國際前沿：中國團隊的“神奇變形術(shù)”
一束激光，有規(guī)則地在金屬材料上游走，所過之處，金屬神奇地生長。這束奇特的激光可以制造出飛機上任意一種復(fù)雜形狀的大型零件，宛如“變形金剛”，令公眾大呼“神奇”。
“要是用飛機鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法，等零件最后成形，90%的材料都被切削、浪費掉了。”驚嘆背后，數(shù)十年致力于材料科學(xué)研究的團隊負責(zé)人王華明坦言，瞄準這一國際前沿技術(shù)的初衷在于“看不得浪費”，“傳統(tǒng)飛機鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造方法是鍛造和機械加工。先要熔鑄大型鈦合金鑄錠、鍛造制坯、加工大型鍛造模具，然后再用萬噸級水壓機等大型鍛造設(shè)備鍛造出零件毛坯，最后再對毛坯零件進行大量機械加工。整個工序下來，耗時費力，總花費要高達幾十個億，光大型模具的加工就要用一年以上的時間，要動用幾萬噸級的水壓機來工作，要大量供電，甚至需要建電廠。”
落后的傳統(tǒng)工藝激發(fā)了王華明和團隊成員攻堅克難的斗志，也讓一個關(guān)于“中國制造”的夢想悄然植根——“如果有一天，中國飛機上許多關(guān)鍵大型復(fù)雜高性能主承力構(gòu)件都能采用我們激光直接制造技術(shù)，實現(xiàn)低成本、短周期、快速制造該多好?。?rdquo;
夢想激勵下，從2000年開始，王華明和他的科研團隊啟動攻關(guān)，圍繞大型復(fù)雜零件鍛造技術(shù)，不斷創(chuàng)新，尋求突破，利用5年時間走出了一條與傳統(tǒng)方法截然不同的新路子。
他們探索了一種做“加法”的高性能金屬零件制造方式——通過計算機控制，用激光將合金粉末熔化，并跟隨激光有規(guī)則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長”，直接根據(jù)零件CAD模型一步完成大型復(fù)雜高性能金屬零部件的“近終成形”制造。
這項技術(shù)可以制造出飛機上任意一種復(fù)雜形狀的大型零件，宛如“變形金剛”，它的特點——高性能、低成本、短周期正好彌補了傳統(tǒng)制造方法的不足，而且使得很多傳統(tǒng)方法不能做出的構(gòu)件成為可能。
過去兩三年才能做好的復(fù)雜大型零件，現(xiàn)在兩三個月就能完成，而且只需兩三個人在實驗室里操作。如今，王華明他們的“變形金剛術(shù)”制作的零件已實實在在地裝上了飛機，使我國成為世界上唯一掌握飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形及在飛機上裝機應(yīng)用技術(shù)的國家。
立足國家需求：“為國家造，有意義！”
王華明始終認為所有的創(chuàng)新都始于對實踐和對現(xiàn)有知識的深度認識與靈活應(yīng)用。要想創(chuàng)新必須腳踏實地，必須結(jié)合國家重大戰(zhàn)略需求，創(chuàng)造具有實際價值的創(chuàng)新成果。十多年來，他這種追求創(chuàng)新的精神也潛移默化地影響了他的學(xué)生們。
2001年，湯海波考上王華明教授的碩士研究生時，王華明就已經(jīng)在做激光增材制造技術(shù)。“當時王老師提出這個瞄準國家戰(zhàn)略需求和國際學(xué)科前沿發(fā)展方向的研究領(lǐng)域，以及與我國主要飛機設(shè)計所、制造公司合作的這種產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式，對我們研究生有一種很大的吸引力。”湯海波毫不猶豫地選擇了跟隨王老師從事這方面的研究，如今他已經(jīng)博士畢業(yè)留校，成為這個團隊的骨干力量。
與他一樣，被這種“非常有意義的”目標所吸引而進入這個團隊，還有很多學(xué)生。
張述泉2003年讀碩士正式加入王華明研究團隊時，正趕上激光增材制造技術(shù)從科研摸索階段步入初步工程化階段。他十分享受帶著紅外眼鏡，守在機器旁看著一個150毫米的小零件在激光中慢慢“生長”出來的過程。
“那時候，七八個小時能做出一個A4紙大小的次承力結(jié)構(gòu)件出來，我們都高興得不得了。”然而他怎么也沒想到，經(jīng)過近10年的持續(xù)努力后，他們將會做出外廓尺寸超過5平方米的飛機高性能鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件來。
研制出的產(chǎn)品從150毫米到5平方米不僅是一個量的飛越，而且也是質(zhì)的飛躍，其技術(shù)難度可想而知，經(jīng)歷的失敗和技術(shù)研發(fā)的艱辛只有他們能體驗和享受。
張述泉將團隊的跨越式發(fā)展歸功于設(shè)計所的主導(dǎo)需求牽引的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式，“如果當時沒有這種產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式，沒有國家重大需求的牽引主導(dǎo)作用，可能我們的研究進程就比現(xiàn)在慢，需求牽引、產(chǎn)學(xué)研融合協(xié)同的創(chuàng)新模式也在推動我們跨越式的發(fā)展。”
發(fā)揮產(chǎn)業(yè)力量：讓中國飛機真正“made in China”
我國自主研發(fā)的大型客機C919機頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，尺寸大、形狀復(fù)雜，是空間雙曲面構(gòu)件。國內(nèi)的飛機制造廠用傳統(tǒng)方法無法做出，只有歐洲一家公司能做出來，但是光每件模具費就要價50萬美元，而交貨周期還要等兩年。2009年，王華明團隊僅僅用55天時間就做出了零件，而且成本還不足歐洲鍛造模具費的十分之一。大型客機研制中央翼一號肋鈦合金上緣條，傳統(tǒng)鍛件毛坯重達超過1600公斤，而采用他們研發(fā)成功的激光直接成形技術(shù)制造出的精坯重量還不到137公斤，節(jié)省鈦合金90%以上，切削加工重量還不到鍛件的5%！
多年來，王明華團隊一直與沈陽飛機設(shè)計研究所、第一飛機設(shè)計研究院、沈飛公司、西飛公司、成飛公司、中航商用發(fā)動機公司等單位有著緊密合作。湯海波說：“做科研就是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，如果沒有設(shè)計所的配合和主機廠的支持，我們是走不到今天的。如果沒有應(yīng)用，我們就沒有發(fā)展。產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合起到了關(guān)鍵作用，是我們成功不可或缺的條件。”
如今，團隊的高性能金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)已經(jīng)屬于國際領(lǐng)先水平，學(xué)校在北京市的大力支持下和中航工業(yè)集團公司合作，在北京組建了中航天地激光科技有限公司成果產(chǎn)業(yè)化基地，他們正在挑戰(zhàn)新的任務(wù)——讓這項創(chuàng)新技術(shù)成果從實驗室真正走向工程化和產(chǎn)業(yè)化，讓未來中國的飛機能真正“made in China”。(本報記者 鄧 暉)
