神奇的3D打印，除了可以打印出假牙、手槍、玩具、人體器官外，如今還能打印出飛機鈦合金起落架、主承力框等大型關(guān)鍵構(gòu)件。北京航空航天大學(xué)激光3D打印技術(shù)研究團隊最近制作的多型鈦合金復(fù)雜大型構(gòu)件，被證明能在衛(wèi)星和火箭上使用。

　　3D打印，學(xué)名叫“增材制造”，是一種先進的數(shù)字制造技術(shù)。它以金屬粉、陶瓷粉、塑料等作為“墨水”，可在計算機自動控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型，通過粉末熔化燒結(jié)或融絲擠出等方式逐層堆積打印材料，直接制造出三維復(fù)雜產(chǎn)品。

　　直接制造重大裝備的“高性能大型金屬構(gòu)件”是3D打印技術(shù)未來的發(fā)展方向。北航王華明教授帶領(lǐng)的團隊，在這一領(lǐng)域已攻關(guān)近20年。他們研究出國際領(lǐng)先的“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)件激光增材制造技術(shù)并實現(xiàn)裝機工程應(yīng)用的國家，該項成果榮獲2012年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。

　　鈦合金大型整體構(gòu)件是飛機的重要組成部分，采用傳統(tǒng)方法制作這樣的產(chǎn)品是做“減法”：首先要制作大型鍛造模具，然后用壓力達幾萬噸的水壓機進行毛坯鍛造，最后對毛坯進行大量切削加工，90%以上的材料都要被切削浪費掉，制造工期長，成本也高。

　　王華明團隊發(fā)明的技術(shù)則是做“加法”：通過計算機自動控制，在自主研發(fā)的大型金屬構(gòu)件“3D打印機”中，高功率激光束將同步輸送的合金粉末逐層熔化堆積，就可直接“生長”出大型復(fù)雜高性能金屬構(gòu)件。王華明打了一個比喻，這項技術(shù)猶如“生長術(shù)”，只需要按照一定路線一層一層地添加材料，就能“生長”出任意復(fù)雜形狀的零件，時間很短，而且不用制造模具，更加節(jié)省材料。

　　我國自主研發(fā)的大型客機C919機頭工程樣機的鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，就是王華明團隊采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的，只花了55天，零件成本不足20萬美元。若是拿到歐洲去生產(chǎn)，光是鍛造模具費就要200萬美元，而且交貨期長達兩年！

　　北航激光增材制造技術(shù)團隊成員湯海波透露，高性能大型金屬構(gòu)件激光成形技術(shù)難度很高，因為零件尺寸越大，打印過程零件變形開裂傾向越大。為此，北航團隊發(fā)明了一系列3D打印新工藝及相關(guān)軟件，有效克服了金屬材料變形、翹曲、開裂等問題。用激光打印時，若每層之間熔合不牢或存在缺陷，將嚴重影響打印產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，北航團隊找到一系列技術(shù)訣竅，能主動控制打印構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量和性能。此外，經(jīng)高能激光熔化的液態(tài)金屬溫度高達幾千攝氏度，周圍需要無氧、無氮等特定的氣體環(huán)境。傳統(tǒng)的做法是建一間超大的真空室，把機床、打印機等全部放進去。而北航研究人員發(fā)明了全新的裝備技術(shù)，僅僅把成形的部分放在真空環(huán)境，只需與零件差不多大小的箱子模樣的成形保護室，就能有效解決氣體環(huán)境問題，設(shè)備維護便捷且造價低廉。

　　未來幾年，北京市將著力打造世界領(lǐng)先的高性能金屬構(gòu)件激光增材制造產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)集群，主要面向航空、航天、航海以及電力等高端裝備制造業(yè)，持續(xù)開展鈦合金、高強鋼、鋁合金等高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)研究，為提升我國重大工業(yè)裝備制造業(yè)水平提供技術(shù)支撐。在市科委的支持下，北航的研究團隊計劃與相關(guān)企業(yè)合作，組建激光增材制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊，加入該產(chǎn)業(yè)鏈。