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3d 打印帶頭人
所有的幸福都是奮斗出來的。
“我跟3D打印技術(shù)的緣分,可以說是始于1989年。當(dāng)時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)動機葉片,發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的葉片性能比原來好。因為激光熔凝處理會使材料瞬間達到高溫,又急速冷卻,金屬內(nèi)部的晶體就會非常細(xì)小,化學(xué)成分更均勻,性能自然更好。當(dāng)時我想,如果運用激光熔凝技術(shù)制造葉片,跟傳統(tǒng)方法相比就會有質(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,我們這項技術(shù)獲得了國家技術(shù)發(fā)明一等獎。我們能自信地說,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。
很多人問我,為什么這件事情美國人都沒做成,你能做成?
一方面,這是時代賦予的機遇,或者說是使命。我相信,一個人的命運一定是和國家命運聯(lián)系在一起的。我們國家正處于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。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。這可能也是我萌生用3D打印技術(shù)去制造大型金屬構(gòu)件這個念頭的起因。
這個目標(biāo)不是不切實際的空想,有我們的實際國情在。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8萬噸鍛造機也只能生產(chǎn)4.5平方米的部件,而這樣的鍛造機造價就要20億元,我國只有一臺。
3D打印的優(yōu)勢在于,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,尤為重要的一點是,可以通過“減重”降低能耗。我們?yōu)槟承瓦\載火箭制作的四個部件,就減重超過200公斤。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,實現(xiàn)了“彎道超車”。
另一方面,我們也有非常強大的團隊力量。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,一點一滴收獲,當(dāng)然,最快樂的事情也正是在這里。奮斗很快樂,給我最大的慰藉,特別是為國家民族奮斗,榮譽感自豪感自不待言。我的團隊同事也是如此,工作分成兩班,上夜班的同事好幾年見不到太陽。早期我們設(shè)備還不夠先進,張述泉要趴在地上觀察打印過程,一看就是好幾個小時,連著幾年如此,沒毅力、沒情懷,怎么能堅持下來!他們就是這樣不計名利地工作,毫不在意個人得失。
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)鍵的時刻,開始的目標(biāo)是爭取臘月二十之前完成,但總有各種問題,一拖就拖到除夕當(dāng)天下午。那天,負(fù)責(zé)數(shù)控機床的張述泉買了回家過節(jié)的火車票,他手把手教留京過年的方艷麗操作設(shè)備。加上我,團隊技術(shù)員剩下3個人,還有3個負(fù)責(zé)起運零件的工人,我們一起在實驗室里度過了這個難忘的春節(jié)。
除夕當(dāng)晚七八點鐘,實驗終于成功了,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,零件會發(fā)生爆裂。但是,由于尺寸不合適,師傅們費了九牛二虎之力還是沒辦法放進爐中。很快,過年的鞭炮聲從四面八方響起來了,我們卻進退無法,面對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。這個時候,家人催促回家過年的電話鈴聲也響起來了,我冷靜一會,告訴大家:“不管了,先回家過年。”
我們最終還是沒有把零件放進爐中,只能放在實驗室,回家了。我和另一個老師一起走,除夕的校園寂然無人,只有零落的鞭炮聲,我的內(nèi)心像空了一塊,又像被揉皺了,無可奈何。初一早上,我吃了兩粒湯圓,趕快趕到實驗室,發(fā)現(xiàn)零件果然裂了,整齊裂成三段。我當(dāng)時想,這么大的體積,裂開的聲音一定像爆炸一樣那么響,不知道有沒有人聽到。
做技術(shù)就是這樣,會遇到種種問題,失敗的時候會沮喪一會兒,但是奮斗的過程是愉悅的。
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。一層激光照下去,一層粉末就會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16平方米的零件。
當(dāng)然,困難和問題也如影隨形。有一段時間,我們加大了功率,設(shè)備卻總是被堵住毀掉。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),激光液化粉末的時候會粘住其他粉末,可能只有零點幾秒的時間,打印的出口就會堵住。經(jīng)過兩天的開會研究,重新設(shè)計設(shè)備,重新實驗,然后卻發(fā)現(xiàn),零點幾秒后,又壞了。
大型構(gòu)件還存在內(nèi)應(yīng)力大的問題,容易開裂。我們嘗試了力學(xué)的多種方法后,最終宣告失敗,最后用最簡單的物理學(xué)原理,先化整為零,再積零為整,實現(xiàn)了內(nèi)應(yīng)力離散。
現(xiàn)在說起來,好像都十分簡單,像是“事后諸葛亮”,但是當(dāng)時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,我覺得自己苦熬的那些日日夜夜都值了。我們在一起交流時曾說過,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,10年的研究已經(jīng)可以“飛天”了。
“飛天”,這是多么大的幸運和榮光!
我的團隊核心成員大多是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。團隊成員張述泉告訴我,周末如果在家沒來實驗室,就會不自主地踱來踱去,身心無處安放,這是長年每天工作12小時、每周工作7天的習(xí)慣使然。我也是如此,把自己關(guān)進辦公室,一旦開始研究問題,心里就非常充實,不知時間的溜走。
為祖國奮斗,我很快樂。
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