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3D打印3.07米高C919中央翼緣條用金屬3D打印技術耗時僅5天

2019-01-21 17:23:48來源：中國青年報

利用金屬3D打印技術打印出的鈦合金鏤空點陣結構。李晨/攝

傳統工藝6個月才能完成的制造工作，用金屬3D打印技術耗時僅5天

3D打印3.07米高C919中央翼緣條

站在那根3.07米高的C919中央翼緣條前，殲20總師楊偉久久凝視……讓他特別感慨的是，這是一根用我國擁有完全知識產權的金屬3D打印技術，“打印”出來的國產大飛機零部件。

尖端科技之花在產學研后“紅”

這根鈦合金材質的C919中央翼緣條，尺寸3.07米，重量196千克，于2012年1月打印成功，同年通過商飛的性能測試，2013年成功應用在國產大飛機C919首架驗證機上。

這是國產機型首次在設計驗證階段，利用3D打印技術制備承力部件，在國際民機的設計生產中亦屬首次。更重要的是，作為機翼關鍵部件，以我國當時的制造能力，還無法鍛造出這樣超大尺寸的復雜結構件。而如果向國外采購，又勢必影響大飛機的國產化率。

“金屬3D打印技術，為鈦合金零部件的加工提供了新的技術途徑，也為中國的航空制造打開了一扇新窗。”該技術研發人、西北工業大學教授黃衛東告訴中國青年報·中青在線記者。

“3D打印”學名“增材制造技術”，原理是將計算機設計出的三維模型分解成若干層平面切片，然后把要“打印”的材料按切片圖形逐層疊加，最終“堆積”成完整的物體。

為C919制造中央翼緣條，是金屬3D打印技術在航空領域應用的典型。黃衛東及其團隊應用該技術所打印出的金屬材料和零部件，目前已廣泛應用于我國的導彈、飛機、火箭、衛星、航空發動機等領域，僅為國產各類飛機就制備了近兩萬個零部件，其中絕大部分已裝機使用。

早在上世紀90年代初，黃衛東就關注起了能夠快速成形、快速進行原型制造的“3D打印技術”。在他的西工大本科同班同學、企業家折生陽的出資支持下，他持續20多年鉆研金屬3D打印技術，并不斷取得重大突破。

2011年7月，應中國商飛經營合作要求，折生陽與西工大及黃衛東等人共同組建了由西工大技術控股的股份制企業——西安鉑力特增材技術股份有限公司。西工大和黃衛東出技術，折生陽等出資金，黃任董事長，折為副董事長。

產權明晰，責權利清晰的校企合作，促使這一尖端成果加速實現產學研融合。其最具標志性的成果，正是那根3.07米高的C919中央翼緣條。

回憶起這件“緣條”，黃衛東等人至今印象深刻。2011年年初，“課題組”接到要為C919打印中央翼緣條任務。他們奮力拼搏、日夜鏖戰，不到1年時間，在廢舊教學實驗廠房里建成了現代化工廠，研制出金屬3D打印專用設備，完成了一系列要求極高的性能測試工作，同時組建西安鉑力特公司，并趕在2012年年初完成了打印緣條的準備工作。

此后，團隊20多人加班加點，與時間賽跑，終于趕在2012年1月22日上午，一次性成功打印完成了第一件C919中央翼緣條。“那天正逢大年三十。”當天中午，激動的西工大周堯和院士宴請攻堅團隊吃了頓團圓飯，“團圓飯從中午一直吃到大年三十晚上，大多數人都喝多了!”吃完飯、喝完酒，已是新年的大年初一，團隊成員趙曉明才想起還沒置辦年貨。

公司化后，黃衛東團隊的金屬3D打印技術在科研上突飛猛進，產業化也進展神速。2018年，這一技術為中國商飛、中航工業、中國航發、中國航天科工、中國航天科技等200多家單位，增材制造超過3萬件金屬零件，批量應用于一批先進的飛機、發動機、火箭和衛星等國家重大任務。

鉑力特公司副總經理楊東輝展示采用具有自主知識產權的“金屬3D打印”技術和設備，打印出的C919中央翼緣條。李晨/攝

行業翹楚引得“空客”來

2017年3月，在上海舉行的亞洲3D打印、增材制造博覽會上，一件超大尺寸的航空發動機葉片吸引了參觀者的目光。

這件933mm的零件，是目前世界上SLM(鋪粉方式)技術打印的一次成形尺寸最大的鈦合金零件。葉片重量與同尺寸碳纖維復合材料葉片相當，但側向性能更好，整體化成形也使得零件的可靠性大大提高。

航空發動機關鍵零部件，傳統技術生產難度極高。黃衛東團隊的金屬3D打印技術，做到了簡單化生產，只需電腦設計好打印程序，按切面一層層打印即可。

黃衛東告訴中國青年報·中青在線記者，金屬3D打印技術的優勢，一是幾乎能制造出任何復雜結構的零件，非傳統技術可比;同時，其輕量化、拓撲優化的特點，又能為材料實現可觀的減重，這在對重量“斤斤計較”的航空航天領域尤其重要。

另外，航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成不可估量的損失。但通過金屬3D打印技術，就可用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節約了時間和金錢。

與此同時，他們還開發出激光金屬3D打印商用設備，這使鉑利特公司不僅成為目前國內最大的金屬3D打印零件加工商，也成了技術最領先的金屬3D打印高端設備制造商。

“我們只和全世界最優秀的團隊合作”。2014年3月，歐洲空中客車公司與西工大和鉑力特簽署合作協議，共同開發激光立體成形技術(激光3D打印技術的一種)在航空領域的應用。

空客主動找上門來要求合作，一是看中公司有“最優秀”的科研團隊，二是看中公司有“最優秀”的運營團隊。

鉑力特公司技術來源于西工大，依托西工大凝固技術國家重點實驗室和激光制造工程中心，科研實力雄厚;擁有一支高精尖科研精英團隊，研發人員占全員的40%，超過30%的員工擁有碩士以上學歷。

鉑力特公司的運行機制獨樹一幟。雖然西工大和黃衛東擁有的共同技術股份占51%，黃衛東出任公司董事長，但公司實際控制人是懂企業會經營的折生陽。折擁有公司重大事項一票否決權，把握著公司的運營方向。

“讓教授干教授的事情，讓企業家干企業家的事情”——既當過科研人員、又當過科技管理干部、已下海營商20多年的折生陽這樣說。在公司發生重大爭議時，折生陽的“最后一票”尤顯重要。

當年，在生產出激光金屬3D打印設備后，多數人都認為不應該將自家的這一“聚寶盆”推向市場讓與他人。折生陽從企業長遠發展角度認為應該賣，先共同把市場做大，企業也能多條腿走路。激烈爭吵之后，折運用自己的一票否決權，大膽推動公司將設備推向市場，這也才有了這些設備在眾多單位和企業的熱銷，并成功出口歐洲，享譽法德。

2018年，鉑力特通過了空客公司IPCA認證，啟動了空客A330增材制造項目，成為空客亞洲區唯一的金屬增材制造合格供應商。同年8月，空客又與西工大和鉑力特分別簽署聯合科研合作協議，三方進入聯合研發時代。

讓設計更自由，讓制造更簡單

2014年，殲20總師楊偉來西工大專程考察金屬3D打印技術。在那根3.07米高的C919中央翼緣條旁，一同展出的還有專為殲20試制的部分金屬3D打印零部件。楊偉看了又看，摸了又摸，感慨萬千。

楊偉之所以震撼于金屬3D打印技術，是因為設計歷來都要受限于生產技術和生產工藝。拿飛機設計來說，即使有再好的空氣動力學設計、再好的綜合性能設計，如果沒有一家公司能生產出來，沒有一個工廠能加工出適配的零部件，再好的設計都是白搭——金屬3D打印技術已經解決和正在解決這一難題。

人類制造，從原始人打制石器最早開端。這也正是持續百萬年一直到今天的“減材制造”，即不斷把多余的部分去掉。機械制造時代的切、割、鉆、銑等工藝，包括精密的數控機床冷加工都是“減材制造”。有了火之后熱加工的鍛、打、錘、敲等制造屬于“等材制造”，最典型最簡單的就是鐵匠打鐵。

無論是減材制造還是等材制造都有局限性：一是無法整體加工復雜零部件，都是先生產出一個個不同結構的零件，然后再或鉚或焊、或連或接，耗時耗工;二是根本無法加工超異形超復雜超薄壁結構體;三是難以為零部件減重。

而這些，金屬3D打印技術都可以克服。“可能有一天，我們甚至會整體打印出一套完整的航空發動機。”團隊成員、公司總工程師趙曉明激情澎湃。

相比減材制造和等材制造，增材制造無疑是一場巨大的革命。

黃衛東說，在C919的設計驗證階段，中央翼緣條的成功試制貢獻巨大，傳統工藝6個月才能完成的制造工作，用金屬3D打印技術耗時僅僅5天，并且一次成形，一次成功，金屬原料鈦合金涂層粉末，更是幾乎沒有半點浪費。

黃衛東的博士生、鉑力特總經理薛蕾說，金屬3D打印出的蜂窩狀金屬結構體，因良好的力學性能，輕量化、拓撲優化的特點，可以廣泛應用于對材料要求極其嚴苛的航空航天航發領域。比如，替代傳統技術所生產的機翼、機身材料，在堅固結實的同時，大大地減輕航空航天器材自重，設計人員就無需再經常為減重而不得不犧牲飛機性能，犧牲武器掛載。

薛蕾介紹，他們目前在航空航天航發領域打印的兩萬余件零部件，在產品結構優化和功能提升的同時，均實現了整體結構減重，最高減重超過60%。

“金屬3D打印正在創造一個宏大的新世界，今天，這個宏大的新世界僅僅是展現出一抹晨曦。”在黃衛東看來，熱加工的發明，使人類從“石器時代”進入“金屬器時代”，冷加工的發明則推動人類進入“復雜機械時代”，而增材制造必將促成人類制造能力的又一次大飛躍。

“它將帶動人類進入全新的‘自由設計時代’，并從根本上轉變制造方式，推動社會產生更進一步的巨大變革。”黃衛東和薛蕾告訴記者：革命性的金屬3D打印技術將“讓設計更自由、讓制造更簡單”，將彌補我國傳統金屬加工業的短板和不足，助力中國工業制造完成從“機械加工”到“智能制造”的轉變。

中國青年報·中青在線記者黃博孫海華

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