北京航空航天大學(xué)，是《超級裝備》拍攝之旅的第十站。11月17日，中國工程院院士，金屬激光增材制造技術(shù)專家，北航教授、大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室主任王華明先生接受了總導(dǎo)演韓晶的訪問。
Q：王院士您好！從事3D打印技術(shù)多年，您和團隊取得了令人矚目的成就。那么，您當(dāng)年是如何與3D打印結(jié)下不解之緣的呢？
A：我在大學(xué)里學(xué)的是鑄造，金屬零部件的成形制造方法。進入3D打印這個領(lǐng)域，其實比較偶然。1989年我博士生畢業(yè)，來到中國科學(xué)院金屬研究所讀博士后，研究航空發(fā)動機渦輪葉片的制造技術(shù)。當(dāng)時我采用了激光表面逐層熔化手段，對發(fā)動機葉片進行修復(fù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修復(fù)后的葉片，性能比原來的要好。因為激光熔凝，會使堆積上去的材料，在一瞬間達到很高的溫度，又瞬間冷卻，從液體變成固體。這樣，金屬內(nèi)部的晶體就會變得非常細(xì)小，化學(xué)成分更均勻，零件的性能自然就更好。
當(dāng)時我就想，如果運用激光熔凝技術(shù)，把金屬材料一層層疊加上去，那么制造出來的葉片，跟傳統(tǒng)方法制造的葉片相比，性能就會發(fā)生質(zhì)的提升。但當(dāng)時，我還沒有想到要去做3D打印。讀完博士后，我作為德國洪堡基金會“洪堡學(xué)者”去了德國，主要研究激光表面工程。如果一個零件要耐磨，我就用激光熔凝技術(shù)在它表面打印一層特殊的耐磨材料，這個零件就會變得非常耐磨，這就是激光表面工程。學(xué)鑄造，主要就是研究金屬的結(jié)晶，晶體生長，也就是凝固理論。后來去做金屬3D打印，只是換了一種手段，基礎(chǔ)還是原來的基礎(chǔ)。
Q：這是一個有趣的例子。早年學(xué)習(xí)的鑄造基礎(chǔ)理論，為您在日后在金屬3D打印這一塊打下了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。然后在某個時刻，您突然發(fā)現(xiàn)可以用一種全新的方法來制造一些東西。這在當(dāng)時可能只是靈光乍現(xiàn)，但后來，卻因此改變了一生。?
A：對。還有一個因素，我想和需求有關(guān)。飛機、航空發(fā)動機等高端裝備，一些大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，用傳統(tǒng)方法去制造是非常困難的，代價也是巨大的。就像有些東西已經(jīng)快到“天花板”了，你想再進一步提高和突破，可能你付出的代價很大，但收益卻很小。所以有時候，換一種思路，一切就可能變得很簡單。我想，這可能就是我萌生用3D打印技術(shù)去制造大型金屬構(gòu)件這個念頭的起因吧。
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Q：其實事物的發(fā)展都有著相似的規(guī)律，就像藝術(shù)的發(fā)展，西方古典繪畫走到十九世紀(jì)下半葉，也碰到了類似您說的“天花板”，想要突破非常困難，不得不尋求對傳統(tǒng)的反動和顛覆，所以像印象派、野獸派等現(xiàn)代主義繪畫就起來了。工業(yè)科技的發(fā)展規(guī)律也同樣，也有一個突破“天花板”的過程。那么與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢是什么呢？
A：我著重談一下金屬3D打印吧，它的最大優(yōu)勢就是性能。隨著科技的進步，人們對裝備的要求越來越高，金屬材料的化學(xué)成分也越來越復(fù)雜，這就對金屬的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的金屬零件成型方法，是把各種合金元素通過爐子熔化成液態(tài)合金，然后澆鑄成固體鑄錠，再把它鍛造成零件毛坯。
這個方法的最大問題，就出在從液體變成固體的這個過程。因為合金元素有的很活潑，有的熔點很高，有的里面還有雜質(zhì)，所以熔煉要用真空感應(yīng)熔煉爐、真空電弧熔煉爐、真空電渣熔煉爐，保證熔煉出來的液態(tài)金屬化學(xué)成分是均勻和清潔的。然后，再把液態(tài)金屬澆鑄到鑄錠里，還要冷上好多天。從液體變成固體，是一個結(jié)晶的過程。液態(tài)金屬冷得慢，結(jié)晶出來的晶體就很粗，化學(xué)成分就不均勻，就會偏析。而且從液體變成固體會收縮，中間就像空心蘿卜，這樣的鑄件性能是不好的。唯一的補救辦法就是再拿去鍛造，通過鍛造把空心蘿卜壓實，把晶體打細(xì)，以保證它的性能。
現(xiàn)在全世界都知道，解決這個問題的方法，就是液體變成固體要冷得快，也就是快速凝固。這不僅是金屬材料學(xué)科的前沿，也是凝聚態(tài)物理的最前沿。為了解決這個問題，我們煉出兩噸的金屬液，用超音速氣流，把液體噴射霧化成像毛毛雨一樣的霧狀液滴，幾十個微米的小液滴，在高速冷卻氣流作用下，小液滴瞬間就凝固成固體了，而且化學(xué)成分穩(wěn)定，組織很細(xì)。再把這些粉末收集起來，先壓實，再通過加熱，把它們擴散連接固化在一起，航空發(fā)動機的渦輪盤就這樣做出來了。
用傳統(tǒng)方法，比如，你要往水里加油，你是加不進去的。再比如，你想把鎢元素加到鐵里面，鎢的熔點是三千多度，鐵的熔點只有一千多度，鎢的比重要比鐵重很多，你把鎢加到鐵里面，它就沉底，就熔化不了，這就是問題。但對于激光來說，不管你熔點多高，激光可以熔化任何材料，并且讓熔化后的液體以每秒一百萬度甚至更高的的冷卻速度結(jié)晶，實現(xiàn)快速凝固。這樣結(jié)晶出來的晶體組織非常細(xì)，化學(xué)成分非常均勻，性能非常好。
3D打印技術(shù)不僅能直接制造任意復(fù)雜的金屬構(gòu)件，還可以控制晶體的大小和晶體生長的方向。如果往這個方向生長性能好，那我就往這個方向去生長。還可以根據(jù)零部件不同部位的使用要求，控制它的化學(xué)成分。比如零件的這個部位需要耐高溫，那我就用耐高溫材料去打印這個部位；零件的那個部位需要耐腐蝕，那我就用耐腐蝕材料去打印那個部位。這就是金屬3D打印的最大優(yōu)勢之一，對零件不同部位“量體裁衣”定制特殊性能。
Q：人們普遍認(rèn)為，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于節(jié)約時間和制造成本，而您剛才說的最大優(yōu)勢，是讓金屬材料在高溫下瞬間熔化并瞬間凝固，從而使零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更細(xì)膩致密，性能更好。
A：是的，制造周期縮短和成本大幅降低，當(dāng)然是3D打印的明顯優(yōu)勢。用傳統(tǒng)工藝制造大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件，要開模，要重型鍛壓機，要鍛造，開一套?？赡苄枰獛装偃f甚至上千萬，要花幾個月時間，一臺萬噸級鍛壓機造價可能是幾個億，而好不容易鍛造出來的零件毛坯，90%以上可能要被切削加工掉，材料浪費很大，制造周期很長，成本當(dāng)然也很高?，F(xiàn)在通過3D打印，就無需開模，無需鍛造和切削，當(dāng)然也無需大型工業(yè)母機了，打印出來的零件基本接近最終的零件形狀，省料，省工，省時。
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Q：您曾經(jīng)說過，看著自己的3D打印作品像小樹那樣一毫米一毫米地生長，是一個非常美妙的過程。能讓我們分享一下您的這種感受嗎？
A：在3D打印過程中看到零件一層層地長高，感覺確實很美妙，但這是因為打印大型金屬零件，技術(shù)難度太大了。因為3D打印是一層一層往上熔化凝固堆積的，每往上沉積一層，層與層之間，可能局部某些地方?jīng)]有熔合在一起。這個缺陷，對于零件的性能是非常致命的。如果你打印了一個有缺陷的飛機起落架，它就會成為整架飛機最致命的一個安全隱患！
打印的零件性能要好，激光燒熔的金屬粉末就必須迅速冷卻，瞬間凝固。但冷卻速度越快，意味著應(yīng)力越大。就像一個人，正發(fā)著40度的高燒，你把他“咣”一下扔到冰水里，再從冰水里撈出來，然后再把他扔進去，可能幾下他就完蛋了。金屬也一樣，從一千多度瞬間冷卻到一百度，可能還不到一秒鐘的時間，并且這個零件要一層層堆積到幾百層甚至幾千層才能完成，最終它的應(yīng)力會非常巨大，稍微做大一點，零件就翹了。有時候做一個零件，眼看就要成了，但是過大的應(yīng)力，卻讓這件勝利在望的零件裂了。所以，只要是用快速熔化凝固的方法，打印大型金屬零件，控制內(nèi)應(yīng)力，防止打印過程中零件變形開裂，永遠(yuǎn)都是一個難題。
人有時候做一件事情，不是說“十年磨一劍”，很可能是用一生時間，能解決一個問題就不錯了。就因為過程太艱辛，所以當(dāng)你掌握了解決之道，看著零件像小樹那樣茁壯成長的時候，你才會感到美妙。
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Q：對于3D打印，人們似乎很愿意用一種生動形象的方式來描述它，有人說它像春蠶吐絲，燕子筑巢，而您說它像樹苗的生長。我想，一個人與某個事物相處久了，會跟它形成某種特殊的關(guān)系，您能描述一下您和3D打印之間的特殊關(guān)系嗎？
A：上大學(xué)時我學(xué)的是鑄造，鑄造的基礎(chǔ)理論就是金屬熔煉和凝固結(jié)晶。過去用爐子熔煉，現(xiàn)在用激光、電子束、等離子束等高能熱源去熔煉。過去是煉一大爐合金，幾噸、幾十噸，現(xiàn)在是煉很小的小熔池，幾克或者幾十克。過去大家都不愿意干鑄造，因為又臟又熱，所以上完本科后，我就不想再搞鑄造了，那就去搞金屬激光3D打印吧。但是后來我發(fā)現(xiàn)，它本質(zhì)上還是金屬的熔煉和凝固，還是“鑄造”?；蛟S，這就是所謂的宿命吧！
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Q：人生的道路有千萬條，您選擇了金屬3D打印這條路，并且生逢其時，成績斐然。那么您認(rèn)為，是您選擇了歷史，還是歷史選擇了您？
A：我覺得一方面是跟自己的經(jīng)歷有關(guān)吧。你學(xué)的專業(yè)，你的導(dǎo)師，你的團隊，其實有很多人會影響你的一生，影響你并決定你今后去干什么。另一方面，跟你成長的社會時代背景也有很大的關(guān)系。我們正處于國家從比較落后到奮起直追的歷史進程中，快速發(fā)展的國家，需要一些重大裝備制造技術(shù)的突破。通過3D打印技術(shù)，既解決了科學(xué)前沿問題，又實現(xiàn)了國家的重大裝備制造需求。我們現(xiàn)在常說彎道超車，就是說我們不在傳統(tǒng)路線上跟著你跑了，我們現(xiàn)在有了新方法，一下子就超車跑到你前面去了。我相信，一個人的命運一定是和國家命運聯(lián)系在一起的，再早20年，我可能沒有條件去干金屬3D打印這件事，再晚20年，我可能還是沒有機會去做這件事。
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Q：個人的抱負(fù)能與國家的發(fā)展、民族的復(fù)興連接在一起，實在是一種幸運。最后我想問的是，3D打印作為新生事物，有人說它將來有可能會取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。對于這一點，您是怎么看的？
A：3D打印技術(shù)其實并不神秘，它是隨著人類科技的進步而出現(xiàn)的一種新技術(shù)。簡單來說，就是把復(fù)雜的三維構(gòu)件制造，變成簡單的二維疊加制造。一個立體的零件，不管它有多復(fù)雜，你把它切成無數(shù)層二維薄片，那么每一片就是一個平面圖形。一個立體零件由無數(shù)個平面圖形疊加而成，相當(dāng)于你一張紙一張紙往上摞，并粘結(jié)成三維復(fù)雜零件。
3D打印技術(shù)從上世紀(jì)八十年代產(chǎn)生，到現(xiàn)在已經(jīng)30多年了，全世界的產(chǎn)值加起來可能還不到一百億美元，也就是說，它現(xiàn)在的市場價值并不大。但是由于它的制造方式完全改變了，由計算機自動控制，代表了智能制造技術(shù)的未來發(fā)展方向，因此它的前途非常廣闊。
但這并不意味著，3D打印就能取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。就像我們造一架飛機，肯定是采用了多種制造技術(shù)，3D打印只是其中的一種技術(shù)。它跟傳統(tǒng)制造技術(shù)，應(yīng)該是一種互補的關(guān)系。如果我做一個結(jié)構(gòu)簡單的金屬小零件，用傳統(tǒng)方法可能更便宜，更快，性能也很好，而用3D打印，可能又慢，成本又高，沒有任何優(yōu)勢。但如果制造重大裝備的大型復(fù)雜、高性能、關(guān)鍵性金屬零件，3D打印技術(shù)，無論在制造周期、產(chǎn)品性能、制造成本等方面，都具有傳統(tǒng)制造技術(shù)無可比擬的變革性優(yōu)勢。
所以我希望，人們在關(guān)注3D打印技術(shù)這個概念本身的同時，能夠更多地潛下心來做深入的研究，多解決一些影響3D打印潛力發(fā)揮的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)問題。