北京航空航天大学材料学院王华明博士

“增材制造”（3D打印）绝对是2013年的热门词语，从日常生活到高端制造业，人们都在憧憬增材制造的应用前景。在航空制造业，金属构件增材制造技术逐渐显露出其独特的优势。由北京航空航天大学材料学院王华明教授带领的创新团队，围绕C919大型飞机等国家重大专项及重大装备制造业发展的战略需求，突破了在重大装备制造中具有重大应用价值的“钛合金等高性能难加工大型复杂整体关键构件”激光直接制造工艺、成套装备及工程应用关键技术，使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术，并实现装机应用的国家。然而，增材制造并非无所不能。近日，本刊记者与王华明教授进行了采访交流。

“高性能金属构件增材制造具有短周期、低成本、高性能、柔性、高效、数字化、材料制备/零件制造一体化等特点，而且使很多传统方法不能做出的复杂构件成为了可能，但并不是所有的材料和所有构件都适合3D打印。增材制造仅仅是制造技术大家庭的一个新成员。”王华明解释说，“它非常适合于价格昂贵、高性能、难加工、加工成本高的材料，以及结构复杂的大型构件，比如钛合金、镍基合金钢等。
其价值在于节省材料、时间、成本，也节省了模具制造环节，也不再依赖重型锻铸等基础工业装备，为高性能难加工大型金属构件的低成本快速成形制造提供了一种新的途径。而对于价格便宜的普通材料以及结构简单的小型零件，采用激光增材制造方式生产，与传统制造技术相比，其制造成本、周期都没有优势，因此就没有意义。”

北航开展的金属构件激光增材制造技术和装备的研发主要是采用高功率的激光束对合金粉末进行熔化，逐层堆积直接完成大型复杂高性能金属零部件。“产学研”结合，经过近20年的研究，北航在激光熔化沉积技术的工艺、装备和标准方面取得了实质性的进展，在钛合金大型构件的制造工艺、内部组织结构的控制以及性能的控制方面迈出了坚实的一步。我国自主研发的大型客机C919机头工程样机的钛合金主风挡整体窗框尺寸大、形状复杂，如果采用传统的模具制造，每个框的模具费用需要50万美元，而交货周期长达两年。2009年，王华明带领团队仅用55天就做出来了。目前，北航研制的激光增材制造成套装备已具备4m×3m×2m的大型钛合金构件制造能力。2010年北航激光增材制造的C919飞机机身和机翼连接部分的钛合金上缘条和下缘条构件等大型钛合金已得到应用。

金属增材制造技术的另一个优势体现在梯度材料构件的制造。王华明介绍说：“比如在一个构件中有些地方需要用高强度材料，有些地方用耐腐蚀材料，有些地方需要用耐磨损材料，增材制造技术可以实现在构件的不同部位用不同的材质，并且实现不同材质的逐渐过渡，使构件具有超常规的优异性能。当然，梯度高性能构件的增材制造及其工程应用还需要做大量扎实的研究工作，除增材制造技术自身难度很大外，应用技术难度更大，因为不同材质的膨胀系数、弹性模量、硬度都不同，构件在不同成分的部位结构不同，物理化学性能不同，梯度性能构件的设计、性能评价和测试试验方法及标准等都需要建立。梯度区的性能参数需要慢慢摸索，这需要做大量的实验和工作。我们在这一领域已经探索了10几年了，这是一个全新的课题。”

飞机钛合金大型关键构件的传统制造方法是锻造毛坯，然后进行金属切削加工，材料去除率往往在90%以上。利用增材制造技术与传统锻造技术相比，需要的切削量会大幅度减少。王华明认为“增”和“减”不是对立的，“增材制造”绝不会颠覆传统“减材制造”。事实上，增材制造出的零件还要通过后续切削加工才能达到最终的尺寸精度和表面光洁度，只是加工余量要少得多，也节省了加工时间和刀具成本。“所以二者一点也不矛盾，增材制造只会使传统减材加工量更少，时间更短。”王华明说，“我们还在继续探索使增材制造的构件性能更好、精度更高、效率更快、加工余量更小。金属构件增材制造并不是万能的，只有适合它的地方才有优势。这项技术的前景也需要人们的正确认识。