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王华明院士:高性能大型关键金属构件增材制造技术及其对重大装备制造业的影响

楼主:3D打印世界 时间:2018-09-12 16:59:03


2018年1月5日,由上海市增材制造协会支持的、中国航天科工集团和哈尔滨市人民政府主办的首届中国(哈尔滨)航空航天3D打印材料及应用制备技术博览会暨高峰论坛在哈尔滨盛大开幕,在会上北京航天航空大学王华明院士做了《高性能大型关键金属构件增材制造技术及其对重大装备制造业的影响》的主题报告。 



王华明院士表示,3D打印是在计算机技术发展起来以后的一种数字制造技术,把三维的事情当成二维来做,一层一层的做。3D打印技术带来的最大的颠覆首先是改变结构,就是原来我们设计出来的结构,可以有非常好的结构,但是我们受传统的制造技术的制做不出来,现在它是一层一层的往上去做,真正改变的是结构,设计师们应该更多的了解这个技术。这样一系列带来的变化,可能是原来一架飞机需要3万个零件,现在可能变成300个零件,原来一架飞机如果说它的载重量是60吨,有可能有一天载重量还是60吨,这个飞机的自重就变成50吨了。这是带来结构的变革。


第二,它会变革材料。也就是说在3D打印过程当中,我们可能会合成制备出一些传统方法制备出来的材料,尤其是金属材料,可能也是这样。


第三,它对制造技术带来的一个变化,材料、结构和制造自身。3D打印,如果说按照材料来分,相对比较简单,一类就是打印是非金属的,一类是打印金属的。当然还有一种就是所谓生物3D打印,在他看来生物3D打印跟增材制造没有关系,它只是为培养生物组织提供了一种手段,这种生物组织就是靠培养出来的,是靠细胞的分裂生长出来的,并不是打印出来的,所以本身它是属于生命科学范畴的事儿。3D打印一个是打印金属,一个是打印非金属。 



王院士所在的国家工程实验室一直是致力于重大装备高性能的大型关键构件的3D打印,是其实验室主要的方向。用3D打印这种方法去做重大装备当中的大型关键金属构件有哪些问题,它有非常非常好的优点,但是它还面临非常严峻的挑战。其实需要做大量的工作。为什么我们选大型关键构件这个领域作为3D打印的目标呢?是因为重大装备当中这些大型关键构件制造是非常困难的,用传统的做法那就是重工业,就是中国一重、中国二重干的事。现在有了3D打印,有可能做一些大型构件就会变得比较简单,例如从零件的数模,只要是高能量的热源去熔化凝固,可能非常短的时间就出来一个很精的毛坯,这个周期就会非常的短。它不仅仅是说周期短,也不仅仅说是节省材料,也不仅仅说节省模具,也不仅仅说节省重型的工业基础设施。 

    

在他看来它非常重要的一个环节,是可以在打印过程当中制备出高性能的材料,同时把材料的制造和结构的制造一起完成,后面这些事情3D打印的这种优点,就是说节省模具、材料、加工、快速反应。它有非常多的优点,但是这些优点要变成现实还有很大的困难。真正要解决大型关键构件的3D打印,并且实现工程应用还面临很多的挑战。这是实验室过去做的一部分零件,如起落架和发动机的整体叶盘等钛合金构件,在现阶段技术条件下,除了3D打印还没有其他的方法能把这么大的钛合金构件能够做出来。这个挑战在哪儿呢?我们不管是通过送粉送丝等的手段,怎么能够控制打印过程当中,让零件不变形,不开裂,零件越大,变形开裂的趋势会越大,做大型零件会非常困难,这是一个永恒的主题,大家不要认为3D打印什么都能干,一旦零件打大了以后是打不出来的,装备可以做很大,但是你做不出来,这是需要做大量的研究。    


第二,材料。现在大家都误解,认为是粉末,认为是丝材,那个东西是原料,真正是打印过程通过已经重新出来的零件,这个东西才是材料。这个材料在打印过程当中如何控制让它不产生缺陷,如何控制它的结晶,让它的形态能够受控制。如果这个过程得不到控制,最终出来的性能是不行的。也就是说,如果性能不行,至少用做关键的受力的组成构件是不可以的,这个过程毫无疑问不是传统的凝固,它是在激光快速的加热,快速的冷却,不均匀条件下的凝固,固态相变,这个过程毫无疑问,这是必须要有的过程。刚才讲的如何在打印过程当中控制热应力,工艺过程的控制,发展出大型的装备,使这个技术能够走向工程应用,建立相应的标准体系。没有这些东西一个新的技术不可能走向应用,在他看来是这个技术要发展,要面临的问题。

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第三,装备。从2006年到现在,装备已经走向了系列化,走向了工程化生产。


第四,标准。现在大家都说没有3D打印的标准,从粉末到工艺,到装备,到质量控制,到超声波检验,一直到最后的产品,其实2005年开始已经走向了工程应用,但是不是拿到这个标准就能做出这个东西。经过这么多年的努力,发展了自己的3D打印的工艺,自己的装备,自己的标准体系,使这个技术能够走向工程应用,当然这个过程是产学研紧密结合的一个结果。有很多零件,在国家的一些重大装备当中,还是发挥了不可替代的一个作用。这是一个副产品,2009年的时候C919的机头是双曲面的,这个零件大概用传统的方法去做,可能模具费,一套模具20万美元,要把零件干出来至少得两年,零件可能会非常非常贵。我们当时用3D打印大概55天4个框,所有的费用加起来大概不到120万,连模具费的十分之一都不到,这也是一个奇迹,非常快的时间。    


2010年也做过一件事情,严格意义上说,其实这是世界上第一次在民用飞机里面大型关键的构件用上了3D打印。3D打印出来的大概也就136公斤,会节省大量的材料,节省大量的加工,而且加工变形会很小。当然费用还低,性能还高。重量减轻70%。这么复杂的构件,传统的方法没有任何一种方法能够做出这样的零件,现在3D打印就成为它的唯一的方案,这个方案带来的效果一架飞机减重250公斤,高强的钛合金,它的强度高,密度还大,还贵,还特别硬,特别难加工。现在我们发展出自己全新的3D打印钛合金的材料,减少30%以上的加工时间,飞机上这些材料都被这种新材料取代掉。飞机的起落架组成的构件非常大,使用的材料为超高强度钢,这类应用体现了3D打印的优势。3D打印技术毫无疑问对航空发展是非常重要的。 



这种技术对重大装备制造业会带来什么影响?他认为会带来变革性的影响,是变革材料的引进,可以做到对整个零件不同的部位逐点可控,可设计,零件是500毫米厚,还是700毫米厚,可以做到性能和组织结构一样,3D打印可以做到,某种意义上就摆脱了传统的引进对材料制备,包括材料的设计和构件成型原理性的制约,这将是颠覆。航空发动机最重要的零部件就是涡轮叶片,定向凝固技术,业态金属冷却,温度梯度可以做到每厘米200度,这种情况做出来无论叶片是什么样的,就是这样的,疏松严重,偏析严重,枝晶粗大。这是没有办法解决的。现在3D打印可能就会带来变革。这是1989年做的激光增材制造,微细定向柱晶。这种零件用传统的任何方法是出不来的,这就是变革材料。   


例如钛合金的整体叶盘,可以做到柱状晶、等轴晶,现在为止全世界谁也不能做到让钛合金定向凝固,如果把它称之为钢筋混凝土,有的钛合金是柱状晶,有的钛合金是等轴晶。我们可以控制这个钢筋间距和它的大小,就是它可以变成很多用传统方法做不出来的材料。


这种变革制造技术,举一些例子,未来装备要么是极大,要么是极小,我们是瞄着极大,未来装备肯定都是越来越大,性能越来越高,这些对3D打印来说是很好的事情。举一个小例子,像大发动机的风扇,如果要变成一个整体的风扇叶盘,用传统的方法锻造一个直径超过3.5米的钛合金,再加工成这么一个零件,代价会很高,用3D打印这会变得很容易的一件事情。这是材料、影响、结构、制造,另外也会带来制造模式的变革,以后的工厂不是现在的工厂。    


不是像现在新闻媒体去炒作,现在一些公司去通过融资,就是去做一个题材作为炒作,我认为任重道远,现在更多的不是做3D打印在炒作,实际上是没有核心技术的。不做材料,不做工艺,不做长期的研究,不考量,偷一点技术,挖两个人,挖两个工人,玩两天,三天以后就没戏了。3D打印不是说所有的材料做大型构件,不是所有的材料都适合,也不是所有的构件它都适合。可能这些材料越贵,像钛合金,材料越贵,材料越难加工,而且材料还要有可塑性,用这些材料去做什么构件呢?如果做这么小一个构件,这么简单的构件,传统方法会比你便宜得多,也会比你好得多,没有必要。去做什么构件呢?尺寸非常大,结构非常复杂,性能要求非常高的这些东西,节省的材料、节省的周期、节省的成本、性能在提升,这些东西放在一块,我认为这是它最大的优势。    


不管你做出来再好,如果没有性能的优势,没有价格的优势,不可能有应用价值。

王院士表示只要金属还在,这就是永恒的主题和永恒的方向,也许不会再用激光了,也许也不会再用电子束,但是总归这是一个基本的手段,这是一个永恒的主题,这突破了传统金属材料的瓶颈学制约,3D打印仅仅是他们一个方向,在新材料、表面工程,也是做的非常努力的一个方向。


180页3D打印行业应用白皮书(2017)

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