尖端科技之花在產(chǎn)學研后“紅”
這根鈦合金材質的C919中央翼緣條，尺寸3.07米，重量196千克，于2012年1月打印成功，同年通過商飛的性能測試，2013年成功應用在國產(chǎn)大飛機C919首架驗證機上。
這是國產(chǎn)機型首次在設計驗證階段，利用3D打印技術制備承力部件，在國際民機的設計生產(chǎn)中亦屬首次。更重要的是，作為機翼關鍵部件，以我國當時的制造能力，還無法鍛造出這樣超大尺寸的復雜結構件。而如果向國外采購，又勢必影響大飛機的國產(chǎn)化率。
“金屬3D打印技術，為鈦合金零部件的加工提供了新的技術途徑，也為中國的航空制造打開了一扇新窗。”該技術研發(fā)人、西北工業(yè)大學教授黃衛(wèi)東告訴記者。
“3D打印”學名“增材制造技術”，原理是將計算機設計出的三維模型分解成若干層平面切片，然后把要“打印”的材料按切片圖形逐層疊加，最終“堆積”成完整的物體。
為C919制造中央翼緣條，是金屬3D打印技術在航空領域應用的典型。黃衛(wèi)東及其團隊應用該技術所打印出的金屬材料和零部件，目前已廣泛應用于我國的導彈、飛機、火箭、衛(wèi)星、航空發(fā)動機等領域，僅為國產(chǎn)各類飛機就制備了近兩萬個零部件，其中絕大部分已裝機使用。
早在上世紀90年代初，黃衛(wèi)東就關注起了能夠快速成形、快速進行原型制造的“3D打印技術”。在他的西工大本科同班同學、企業(yè)家折生陽的出資支持下，他持續(xù)20多年鉆研金屬3D打印技術，并不斷取得重大突破。
2011年7月，應中國商飛經(jīng)營合作要求，折生陽與西工大及黃衛(wèi)東等人共同組建了由西工大技術控股的股份制企業(yè)——西安鉑力特增材技術股份有限公司。西工大和黃衛(wèi)東出技術，折生陽等出資金，黃任董事長，折為副董事長。
產(chǎn)權明晰，責權利清晰的校企合作，促使這一尖端成果加速實現(xiàn)產(chǎn)學研融合。其最具標志性的成果，正是那根3.07米高的C919中央翼緣條。
回憶起這件“緣條”，黃衛(wèi)東等人至今印象深刻。2011年年初，“課題組”接到要為C919打印中央翼緣條任務。他們奮力拼搏、日夜鏖戰(zhàn)，不到1年時間，在廢舊教學實驗廠房里建成了現(xiàn)代化工廠，研制出金屬3D打印專用設備，完成了一系列要求極高的性能測試工作，同時組建西安鉑力特公司，并趕在2012年年初完成了打印緣條的準備工作。
此后，團隊20多人加班加點，與時間賽跑，終于趕在2012年1月22日上午，一次性成功打印完成了第一件C919中央翼緣條。“那天正逢大年三十。”當天中午，激動的西工大周堯和院士宴請攻堅團隊吃了頓團圓飯，“團圓飯從中午一直吃到大年三十晚上，大多數(shù)人都喝多了！”吃完飯、喝完酒，已是新年的大年初一，團隊成員趙曉明才想起還沒置辦年貨。
公司化后，黃衛(wèi)東團隊的金屬3D打印技術在科研上突飛猛進，產(chǎn)業(yè)化也進展神速。2018年，這一技術為中國商飛、中航工業(yè)、中國航發(fā)、中國航天科工、中國航天科技等200多家單位，增材制造超過3萬件金屬零件，批量應用于一批先進的飛機、發(fā)動機、火箭和衛(wèi)星等國家重大任務。
行業(yè)翹楚引得“空客”來
2017年3月，在上海舉行的亞洲3D打印、增材制造博覽會上，一件超大尺寸的航空發(fā)動機葉片吸引了參觀者的目光。
這件933mm的零件，是目前世界上SLM（鋪粉方式）技術打印的一次成形尺寸最大的鈦合金零件。葉片重量與同尺寸碳纖維復合材料葉片相當，但側向性能更好，整體化成形也使得零件的可靠性大大提高。
航空發(fā)動機關鍵零部件，傳統(tǒng)技術生產(chǎn)難度極高。黃衛(wèi)東團隊的金屬3D打印技術，做到了簡單化生產(chǎn)，只需電腦設計好打印程序，按切面一層層打印即可。
黃衛(wèi)東告訴記者，金屬3D打印技術的優(yōu)勢，一是幾乎能制造出任何復雜結構的零件，非傳統(tǒng)技術可比；同時，其輕量化、拓撲優(yōu)化的特點，又能為材料實現(xiàn)可觀的減重，這在對重量“斤斤計較”的航空航天領域尤其重要。
另外，航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成不可估量的損失。但通過金屬3D打印技術，就可用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節(jié)約了時間和金錢。
與此同時，他們還開發(fā)出激光金屬3D打印商用設備，這使鉑利特公司不僅成為目前國內最大的金屬3D打印零件加工商，也成了技術最領先的金屬3D打印高端設備制造商。
“我們只和全世界最優(yōu)秀的團隊合作”。2014年3月，歐洲空中客車公司與西工大和鉑力特簽署合作協(xié)議，共同開發(fā)激光立體成形技術（激光3D打印技術的一種）在航空領域的應用。
空客主動找上門來要求合作，一是看中公司有“最優(yōu)秀”的科研團隊，二是看中公司有“最優(yōu)秀”的運營團隊。
鉑力特公司技術來源于西工大，依托西工大凝固技術國家重點實驗室和激光制造工程中心，科研實力雄厚；擁有一支高精尖科研精英團隊，研發(fā)人員占全員的40%，超過30%的員工擁有碩士以上學歷。
鉑力特公司的運行機制獨樹一幟。雖然西工大和黃衛(wèi)東擁有的共同技術股份占51%，黃衛(wèi)東出任公司董事長，但公司實際控制人是懂企業(yè)會經(jīng)營的折生陽。折擁有公司重大事項一票否決權，把握著公司的運營方向。
“讓教授干教授的事情，讓企業(yè)家干企業(yè)家的事情”——既當過科研人員、又當過科技管理干部、已下海營商20多年的折生陽這樣說。在公司發(fā)生重大爭議時，折生陽的“最后一票”尤顯重要。
當年，在生產(chǎn)出激光金屬3D打印設備后，多數(shù)人都認為不應該將自家的這一“聚寶盆”推向市場讓與他人。折生陽從企業(yè)長遠發(fā)展角度認為應該賣，先共同把市場做大，企業(yè)也能多條腿走路。激烈爭吵之后，折運用自己的一票否決權，大膽推動公司將設備推向市場，這也才有了這些設備在眾多單位和企業(yè)的熱銷，并成功出口歐洲，享譽法德。
2018年，鉑力特通過了空客公司IPCA認證，啟動了空客A330增材制造項目，成為空客亞洲區(qū)唯一的金屬增材制造合格供應商。同年8月，空客又與西工大和鉑力特分別簽署聯(lián)合科研合作協(xié)議，三方進入聯(lián)合研發(fā)時代。
讓設計更自由，讓制造更簡單
2014年，殲20總師楊偉來西工大專程考察金屬3D打印技術。在那根3.07米高的C919中央翼緣條旁，一同展出的還有專為殲20試制的部分金屬3D打印零部件。楊偉看了又看，摸了又摸，感慨萬千。
楊偉之所以震撼于金屬3D打印技術，是因為設計歷來都要受限于生產(chǎn)技術和生產(chǎn)工藝。拿飛機設計來說，即使有再好的空氣動力學設計、再好的綜合性能設計，如果沒有一家公司能生產(chǎn)出來，沒有一個工廠能加工出適配的零部件，再好的設計都是白搭——金屬3D打印技術已經(jīng)解決和正在解決這一難題。
人類制造，從原始人打制石器最早開端。這也正是持續(xù)百萬年一直到今天的“減材制造”，即不斷把多余的部分去掉。機械制造時代的切、割、鉆、銑等工藝，包括精密的數(shù)控機床冷加工都是“減材制造”。有了火之后熱加工的鍛、打、錘、敲等制造屬于“等材制造”，最典型最簡單的就是鐵匠打鐵。
無論是減材制造還是等材制造都有局限性：一是無法整體加工復雜零部件，都是先生產(chǎn)出一個個不同結構的零件，然后再或鉚或焊、或連或接，耗時耗工；二是根本無法加工超異形超復雜超薄壁結構體；三是難以為零部件減重。
而這些，金屬3D打印技術都可以克服。“可能有一天，我們甚至會整體打印出一套完整的航空發(fā)動機。”團隊成員、公司總工程師趙曉明激情澎湃。
相比減材制造和等材制造，增材制造無疑是一場巨大的革命。
黃衛(wèi)東說，在C919的設計驗證階段，中央翼緣條的成功試制貢獻巨大，傳統(tǒng)工藝6個月才能完成的制造工作，用金屬3D打印技術耗時僅僅5天，并且一次成形，一次成功，金屬原料鈦合金涂層粉末，更是幾乎沒有半點浪費。
黃衛(wèi)東的博士生、鉑力特總經(jīng)理薛蕾說，金屬3D打印出的蜂窩狀金屬結構體，因良好的力學性能，輕量化、拓撲優(yōu)化的特點，可以廣泛應用于對材料要求極其嚴苛的航空航天航發(fā)領域。比如，替代傳統(tǒng)技術所生產(chǎn)的機翼、機身材料，在堅固結實的同時，大大地減輕航空航天器材自重，設計人員就無需再經(jīng)常為減重而不得不犧牲飛機性能，犧牲武器掛載。
薛蕾介紹，他們目前在航空航天航發(fā)領域打印的兩萬余件零部件，在產(chǎn)品結構優(yōu)化和功能提升的同時，均實現(xiàn)了整體結構減重，最高減重超過60%。
“金屬3D打印正在創(chuàng)造一個宏大的新世界，今天，這個宏大的新世界僅僅是展現(xiàn)出一抹晨曦。”在黃衛(wèi)東看來，熱加工的發(fā)明，使人類從“石器時代”進入“金屬器時代”，冷加工的發(fā)明則推動人類進入“復雜機械時代”，而增材制造必將促成人類制造能力的又一次大飛躍。
“它將帶動人類進入全新的‘自由設計時代’，并從根本上轉變制造方式，推動社會產(chǎn)生更進一步的巨大變革。”黃衛(wèi)東和薛蕾告訴記者：革命性的金屬3D打印技術將“讓設計更自由、讓制造更簡單”，將彌補我國傳統(tǒng)金屬加工業(yè)的短板和不足，助力中國工業(yè)制造完成從“機械加工”到“智能制造”的轉變。
