王華明,北京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,激光增材制造領(lǐng)域?qū)<?br /> 中國(guó)3d 打印帶頭人
所有的幸福都是奮斗出來(lái)的。
“我跟3D打印技術(shù)的緣分,可以說(shuō)是始于1989年。當(dāng)時(shí)我在中科院金屬研究所讀博士后,采用激光熔凝手段修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的葉片性能比原來(lái)好。因?yàn)榧す馊勰幚頃?huì)使材料瞬間達(dá)到高溫,又急速冷卻,金屬內(nèi)部的晶體就會(huì)非常細(xì)小,化學(xué)成分更均勻,性能自然更好。當(dāng)時(shí)我想,如果運(yùn)用激光熔凝技術(shù)制造葉片,跟傳統(tǒng)方法相比就會(huì)有質(zhì)的提升。”
現(xiàn)在我們做的事,已經(jīng)持續(xù)了20多年,就是“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”的研究應(yīng)用。2013年,我們這項(xiàng)技術(shù)獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。我們能自信地說(shuō),目前用3D打印技術(shù)制造大型構(gòu)件的技術(shù),全球只有我們掌握。
很多人問(wèn)我,為什么這件事情美國(guó)人都沒(méi)做成,你能做成?
一方面,這是時(shí)代賦予的機(jī)遇,或者說(shuō)是使命。我相信,一個(gè)人的命運(yùn)一定是和國(guó)家命運(yùn)聯(lián)系在一起的。我們國(guó)家正處于從比較落后到奮起直追的歷史進(jìn)程中,快速發(fā)展的國(guó)家,需要一些重大裝備制造技術(shù)的突破。飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jià)也是巨大的。這可能也是我萌生用3D打印技術(shù)去制造大型金屬構(gòu)件這個(gè)念頭的起因。
這個(gè)目標(biāo)不是不切實(shí)際的空想,有我們的實(shí)際國(guó)情在。要發(fā)展航空航天事業(yè),要想使飛行器的速度不斷提升,它們的“骨架”尺寸也要隨之增大。全世界最大的8萬(wàn)噸鍛造機(jī)也只能生產(chǎn)4.5平方米的部件,而這樣的鍛造機(jī)造價(jià)就要20億元,我國(guó)只有一臺(tái)。
3D打印的優(yōu)勢(shì)在于,不需要大型工業(yè)裝備,不需要模具,材料利用率高,性能優(yōu)異,質(zhì)量可靠,尤為重要的一點(diǎn)是,可以通過(guò)“減重”降低能耗。我們?yōu)槟承瓦\(yùn)載火箭制作的四個(gè)部件,就減重超過(guò)200公斤。通過(guò)3D打印技術(shù),既解決了科學(xué)前沿問(wèn)題,又實(shí)現(xiàn)了國(guó)家的重大裝備制造需求,實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。
另一方面,我們也有非常強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)力量。人雖然少,大家卻心往一處想,勁往一處使,用“螞蟻啃骨頭”的精神工作,一點(diǎn)一滴收獲,當(dāng)然,最快樂(lè)的事情也正是在這里。奮斗很快樂(lè),給我最大的慰藉,特別是為國(guó)家民族奮斗,榮譽(yù)感自豪感自不待言。我的團(tuán)隊(duì)同事也是如此,工作分成兩班,上夜班的同事好幾年見(jiàn)不到太陽(yáng)。早期我們?cè)O(shè)備還不夠先進(jìn),張述泉要趴在地上觀察打印過(guò)程,一看就是好幾個(gè)小時(shí),連著幾年如此,沒(méi)毅力、沒(méi)情懷,怎么能堅(jiān)持下來(lái)!他們就是這樣不計(jì)名利地工作,毫不在意個(gè)人得失。
有一件事,我刻骨銘心。2007年春節(jié),我們?nèi)〉弥卮蠹夹g(shù)突破,可以制作比較大型的設(shè)備零件。那是我們零件研制最關(guān)鍵的時(shí)刻,開(kāi)始的目標(biāo)是爭(zhēng)取臘月二十之前完成,但總有各種問(wèn)題,一拖就拖到除夕當(dāng)天下午。那天,負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床的張述泉買(mǎi)了回家過(guò)節(jié)的火車票,他手把手教留京過(guò)年的方艷麗操作設(shè)備。加上我,團(tuán)隊(duì)技術(shù)員剩下3個(gè)人,還有3個(gè)負(fù)責(zé)起運(yùn)零件的工人,我們一起在實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)了這個(gè)難忘的春節(jié)。
除夕當(dāng)晚七八點(diǎn)鐘,實(shí)驗(yàn)終于成功了,零件制造完成,重量足有200公斤。由于激光打印溫度極高,在制作完成后必須馬上放到爐中加熱,不然極熱極冷,零件會(huì)發(fā)生爆裂。但是,由于尺寸不合適,師傅們費(fèi)了九牛二虎之力還是沒(méi)辦法放進(jìn)爐中。很快,過(guò)年的鞭炮聲從四面八方響起來(lái)了,我們卻進(jìn)退無(wú)法,面對(duì)終于制造成功的龐然大物一般的零件,內(nèi)心不知是喜是憂。這個(gè)時(shí)候,家人催促回家過(guò)年的電話鈴聲也響起來(lái)了,我冷靜一會(huì),告訴大家:“不管了,先回家過(guò)年。”
我們最終還是沒(méi)有把零件放進(jìn)爐中,只能放在實(shí)驗(yàn)室,回家了。我和另一個(gè)老師一起走,除夕的校園寂然無(wú)人,只有零落的鞭炮聲,我的內(nèi)心像空了一塊,又像被揉皺了,無(wú)可奈何。初一早上,我吃了兩粒湯圓,趕快趕到實(shí)驗(yàn)室,發(fā)現(xiàn)零件果然裂了,整齊裂成三段。我當(dāng)時(shí)想,這么大的體積,裂開(kāi)的聲音一定像爆炸一樣那么響,不知道有沒(méi)有人聽(tīng)到。
做技術(shù)就是這樣,會(huì)遇到種種問(wèn)題,失敗的時(shí)候會(huì)沮喪一會(huì)兒,但是奮斗的過(guò)程是愉悅的。
看著自己的3D打印作品像小樹(shù)那樣一毫米一毫米地生長(zhǎng),是一個(gè)非常美妙的過(guò)程。一層激光照下去,一層粉末就會(huì)迅速液化然后固化成形,層層疊加。2013年之后,我們慢慢從打印投影面積5平方米的零件,到今天打印投影面積超過(guò)16平方米的零件。
當(dāng)然,困難和問(wèn)題也如影隨形。有一段時(shí)間,我們加大了功率,設(shè)備卻總是被堵住毀掉。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),激光液化粉末的時(shí)候會(huì)粘住其他粉末,可能只有零點(diǎn)幾秒的時(shí)間,打印的出口就會(huì)堵住。經(jīng)過(guò)兩天的開(kāi)會(huì)研究,重新設(shè)計(jì)設(shè)備,重新實(shí)驗(yàn),然后卻發(fā)現(xiàn),零點(diǎn)幾秒后,又壞了。
大型構(gòu)件還存在內(nèi)應(yīng)力大的問(wèn)題,容易開(kāi)裂。我們嘗試了力學(xué)的多種方法后,最終宣告失敗,最后用最簡(jiǎn)單的物理學(xué)原理,先化整為零,再積零為整,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)應(yīng)力離散。
現(xiàn)在說(shuō)起來(lái),好像都十分簡(jiǎn)單,像是“事后諸葛亮”,但是當(dāng)時(shí)的艱辛還是歷歷在目的?,F(xiàn)在,看著自己制造的零件可以上天入海,我覺(jué)得自己苦熬的那些日日夜夜都值了。我們?cè)谝黄鸾涣鲿r(shí)曾說(shuō)過(guò),很多研究材料學(xué)的專家,畢生的研究成果都不一定能投入使用,但是我們不同,我們何其幸運(yùn),10年的研究已經(jīng)可以“飛天”了。
“飛天”,這是多么大的幸運(yùn)和榮光!
我的團(tuán)隊(duì)核心成員大多是80后,風(fēng)華正茂,卻也華發(fā)早生,但是,我們享受奮斗的快樂(lè)。團(tuán)隊(duì)成員張述泉告訴我,周末如果在家沒(méi)來(lái)實(shí)驗(yàn)室,就會(huì)不自主地踱來(lái)踱去,身心無(wú)處安放,這是長(zhǎng)年每天工作12小時(shí)、每周工作7天的習(xí)慣使然。我也是如此,把自己關(guān)進(jìn)辦公室,一旦開(kāi)始研究問(wèn)題,心里就非常充實(shí),不知時(shí)間的溜走。
為祖國(guó)奮斗,我很快樂(lè)。
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