3D打印，讓中國飛機“中國造”
5月8日，在上海國際展覽中心，一名觀眾拍攝一臺正在打印椅子模型的3D打印機。 新華社發（賴鑫琳攝）
你能想象萬里長城、摩天大樓等巨型建筑物通過打印的方式被建造出來；甚至說，你的臉、手、腳……也被打印復制出來嗎？這在未來的某一天或許將不再是奢望。
近日，英國期刊《經濟學人》以“3D打印：萬里長城的新磚瓦”為題報道了增材制造技術在中國的飛速發展。其中介紹，“中國最大的3D打印機能制造出高性能、難加工大型飛機復雜整體關鍵構件”。這項代表著先進制造技術發展方向、在重大裝備制造中具有巨大應用價值的“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”，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構件激光快速成形技術、實現裝機應用的國家，并因此獲得“2012年度國家技術發明一等獎”。
這臺打印機和這項技術，屬于北京航空航天大學的王華明教授和他的創新團隊。
瞄準國際前沿：中國團隊的“神奇變形術”
一束激光，有規則地在金屬材料上游走，所過之處，金屬神奇地生長。這束奇特的激光可以制造出飛機上任意一種復雜形狀的大型零件，宛如“變形金剛”，令公眾大呼“神奇”。
“要是用飛機鈦合金大型關鍵構件的傳統制造方法，等零件最后成形，90%的材料都被切削、浪費掉了。”驚嘆背后，數十年致力于材料科學研究的團隊負責人王華明坦言，瞄準這一國際前沿技術的初衷在于“看不得浪費”，“傳統飛機鈦合金大型關鍵構件的制造方法是鍛造和機械加工。先要熔鑄大型鈦合金鑄錠、鍛造制坯、加工大型鍛造模具，然后再用萬噸級水壓機等大型鍛造設備鍛造出零件毛坯，最后再對毛坯零件進行大量機械加工。整個工序下來，耗時費力，總花費要高達幾十個億，光大型模具的加工就要用一年以上的時間，要動用幾萬噸級的水壓機來工作，要大量供電，甚至需要建電廠。”
落后的傳統工藝激發了王華明和團隊成員攻堅克難的斗志，也讓一個關于“中國制造”的夢想悄然植根——“如果有一天，中國飛機上許多關鍵大型復雜高性能主承力構件都能采用我們激光直接制造技術，實現低成本、短周期、快速制造該多好啊！”
夢想激勵下，從2000年開始，王華明和他的科研團隊啟動攻關，圍繞大型復雜零件鍛造技術，不斷創新，尋求突破，利用5年時間走出了一條與傳統方法截然不同的新路子。
他們探索了一種做“加法”的高性能金屬零件制造方式——通過計算機控制，用激光將合金粉末熔化，并跟隨激光有規則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長”，直接根據零件CAD模型一步完成大型復雜高性能金屬零部件的“近終成形”制造。
這項技術可以制造出飛機上任意一種復雜形狀的大型零件，宛如“變形金剛”，它的特點——高性能、低成本、短周期正好彌補了傳統制造方法的不足，而且使得很多傳統方法不能做出的構件成為可能。
過去兩三年才能做好的復雜大型零件，現在兩三個月就能完成，而且只需兩三個人在實驗室里操作。如今，王華明他們的“變形金剛術”制作的零件已實實在在地裝上了飛機，使我國成為世界上唯一掌握飛機鈦合金結構件激光快速成形及在飛機上裝機應用技術的國家。
立足國家需求：“為國家造，有意義！”
王華明始終認為所有的創新都始于對實踐和對現有知識的深度認識與靈活應用。要想創新必須腳踏實地，必須結合國家重大戰略需求，創造具有實際價值的創新成果。十多年來，他這種追求創新的精神也潛移默化地影響了他的學生們。
2001年，湯海波考上王華明教授的碩士研究生時，王華明就已經在做激光增材制造技術。“當時王老師提出這個瞄準國家戰略需求和國際學科前沿發展方向的研究領域，以及與我國主要飛機設計所、制造公司合作的這種產學研結合的模式，對我們研究生有一種很大的吸引力。”湯海波毫不猶豫地選擇了跟隨王老師從事這方面的研究，如今他已經博士畢業留校，成為這個團隊的骨干力量。
與他一樣，被這種“非常有意義的”目標所吸引而進入這個團隊，還有很多學生。
張述泉2003年讀碩士正式加入王華明研究團隊時，正趕上激光增材制造技術從科研摸索階段步入初步工程化階段。他十分享受帶著紅外眼鏡，守在機器旁看著一個150毫米的小零件在激光中慢慢“生長”出來的過程。
“那時候，七八個小時能做出一個A4紙大小的次承力結構件出來，我們都高興得不得了。”然而他怎么也沒想到，經過近10年的持續努力后，他們將會做出外廓尺寸超過5平方米的飛機高性能鈦合金主承力結構件來。
研制出的產品從150毫米到5平方米不僅是一個量的飛越，而且也是質的飛躍，其技術難度可想而知，經歷的失敗和技術研發的艱辛只有他們能體驗和享受。
張述泉將團隊的跨越式發展歸功于設計所的主導需求牽引的產學研結合模式，“如果當時沒有這種產學研結合的模式，沒有國家重大需求的牽引主導作用，可能我們的研究進程就比現在慢，需求牽引、產學研融合協同的創新模式也在推動我們跨越式的發展。”
發揮產業力量：讓中國飛機真正“made in China”
我國自主研發的大型客機C919機頭鈦合金主風擋整體窗框，尺寸大、形狀復雜，是空間雙曲面構件。國內的飛機制造廠用傳統方法無法做出，只有歐洲一家公司能做出來，但是光每件模具費就要價50萬美元，而交貨周期還要等兩年。2009年，王華明團隊僅僅用55天時間就做出了零件，而且成本還不足歐洲鍛造模具費的十分之一。大型客機研制中央翼一號肋鈦合金上緣條，傳統鍛件毛坯重達超過1600公斤，而采用他們研發成功的激光直接成形技術制造出的精坯重量還不到137公斤，節省鈦合金90%以上，切削加工重量還不到鍛件的5%！
多年來，王明華團隊一直與沈陽飛機設計研究所、第一飛機設計研究院、沈飛公司、西飛公司、成飛公司、中航商用發動機公司等單位有著緊密合作。湯海波說：“做科研就是產學研結合，如果沒有設計所的配合和主機廠的支持，我們是走不到今天的。如果沒有應用，我們就沒有發展。產學研緊密結合起到了關鍵作用，是我們成功不可或缺的條件。”
如今，團隊的高性能金屬構件激光增材制造技術已經屬于國際領先水平，學校在北京市的大力支持下和中航工業集團公司合作，在北京組建了中航天地激光科技有限公司成果產業化基地，他們正在挑戰新的任務——讓這項創新技術成果從實驗室真正走向工程化和產業化，讓未來中國的飛機能真正“made in China”。
（編輯：曉婧）