揭秘我國金屬3D打印技術(shù)：0.5公斤鈦合金零件撐起400公斤重量

■0.5公斤零件撐起400公斤重量 中國航天器試水3D打印

為了突破西方對于中國的核心技術(shù)封鎖，中國的企業(yè)家、科學(xué)家大膽實踐、勇于創(chuàng)新，不僅是造出了被西方國家壟斷的錸（lái）金屬核心部件，還創(chuàng)造出了新的金屬制造方式。2017年9月20日，世界*的金屬3D打印設(shè)備制造商德國斯棱曼公司（SLM Solutions）與一家中國公司簽下了合作協(xié)議，與一家中國公司成立聯(lián)合應(yīng)用研發(fā)中心，將展開針對中國市場的應(yīng)用研發(fā)。

金屬材料的3D打印技術(shù)門檻高，難度大，附加值高，金屬3D打印的產(chǎn)值也占到了整個3D打印行業(yè)的80%以上。在金屬3D打印方面，西方國家的技術(shù)也長期*于中國。而如今，金屬3D打印正在越來越多地出現(xiàn)在中國制造的高端裝備上，這讓世界*的企業(yè)，也注意到了中國企業(yè)在這個方面取得的創(chuàng)新和成就。

中國航天科技集團(tuán)五院的展廳，濃縮了中國空間飛行器研制的主要成果，這些航天器對于減少重量的要求，可謂是嚴(yán)苛之極，因為每增加一克的重量，就會給發(fā)射帶來很高的成本，并且會加大航天項目的復(fù)雜性，甚至直接影響到整個方案的可行性。為了減輕每一克的重量，研究人員從材料和結(jié)構(gòu)上想了任何可能的辦法。

中國航天科技集團(tuán)五院總體部增材制造技術(shù)項目經(jīng)理張嘯雨說：這個就是我們目前工程上*輕的材料，叫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)里面全部是蜂窩，然后上下的面用的是碳纖維。這種碳纖維非常昂貴，它的一公斤差不多要比那個同等重量的黃金還要貴一些。減輕重量是不懈的追求。碳纖維材料，加之蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，這幾乎已經(jīng)達(dá)到了減重的極限，但是工程技術(shù)人員對此還是不滿意，他們希望重量再降低一些。可是，如何才能實現(xiàn)新的突破呢？

位于北京市昌平區(qū)的一間廠房，正在生產(chǎn)著鈦合金、鋁合金、不銹鋼等多種金屬的零部件。但是與其它的冶金廠房不同，在這里，記者看不到金屬鍛造的大型設(shè)備，也看不到很多的技術(shù)工人操作，只看見一臺臺3D打印的機(jī)器在忙碌地工作著。這個金屬打印技術(shù)叫激光選區(qū)熔化，使用激光照射預(yù)先鋪展好的金屬粉末，使其成形固定。經(jīng)過兩天時間，制造過程終于接近尾聲，技術(shù)人員小心翼翼地將“打印機(jī)”中多余的粉末掃去，一個結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和精巧的鈦金屬立方體顯現(xiàn)出來。

鑫精合激光科技發(fā)展有限公司副總經(jīng)理孫峰說：鈦合金在我們冶金行業(yè)，是一種非常難成形的一種材料牌號，它的冶金工藝非常的復(fù)雜，通過我們這次3D打印工藝，把這么難做的一個鈦合金，通過我們3D打印工藝，呈現(xiàn)出這樣一個輕量化的結(jié)構(gòu)來。

在制造業(yè)中，傳統(tǒng)制造的方式是“減材制造”，它是利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、減少，*終成為所需要的零件。而3D打印則恰恰相反，它是根據(jù)一個數(shù)字三維文件，在一個完全沒有任何材料的平面上，一點點逐層打印、添加材料，*終形成一個三維整體，這就是所謂的3D打印，也被稱為“增材制造”。

這樣一個邊長20厘米左右的立方體，如果用傳統(tǒng)的金屬鑄造工藝制造，重量至少要在5公斤以上，而這個零件的重量卻只有0.5公斤，只有以前的十分之一，大大減輕了重量，卻具備高強(qiáng)度。孫峰現(xiàn)場給我們做了一個演示。將近100公斤的孫峰，整個人站在這個立方體上都沒有問題，孫峰告訴我們，它*大的承受力在300到400公斤，那可能是800倍到1000倍的載荷。

目前，在我國很多飛機(jī)、船舶甚至航天器的重要零部件上，都可以見到金屬3D打印的身影。無論是飛機(jī)、船舶的發(fā)動機(jī)、零部件，還是運(yùn)載火箭、空間航天飛行器、無人機(jī)等航空航天設(shè)備，金屬3D打印部件正在悄悄地取代著傳統(tǒng)制造的零件，并給航空航天等高端制造提供了更多的可能。航天器上很多大大小小的零件，都可以用這種結(jié)構(gòu)來替代原有的較為笨重的金屬。甚至一根頭發(fā)絲，就可以吊起來一個體積不小的衛(wèi)星上的小零件。

孫峰說：它的輕量化效果非常的好，整個零件它的減重達(dá)到了30%以上，它給咱們整個火箭發(fā)射這一塊，成本節(jié)約了幾百萬，甚至上千萬人民幣的一個效果。我們傳統(tǒng)制造業(yè)來說，制造一顆衛(wèi)星它可能需要幾個月甚至幾年的時間，通過我們3D打印工藝實現(xiàn)整個衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)，可能只需要十幾天的時間，一顆小的衛(wèi)星可以打出來。

3D打印作為一項前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)，已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動力。 然而，多數(shù)的設(shè)備和工藝尚不成熟，還無法批量打出穩(wěn)定、耐用、高性能的工業(yè)品來，處在“模型制造”和實驗階段。但是這種情況正在發(fā)生變化，我國的金屬3D打印正在不斷地向*制造靠攏。

在鑫精合的廠房里，一個大型的鈦合金航天器零件，即將在這臺由中國民營企業(yè)自主研發(fā)的大型金屬3D打印機(jī)里誕生。與小型的精密的金屬3D打印機(jī)的技術(shù)不同，大型的打印機(jī)采取了另一種不同的技術(shù)方式——同軸送粉工藝。而中國在這項技術(shù)上已經(jīng)走在了世界的先列。目前，能用3D打印技術(shù)制造出達(dá)到鍛造水平的金屬部件的國家，只有德國、美國、中國等少數(shù)幾個。而鑫精合批量制造大型鈦金屬結(jié)構(gòu)件的能力已經(jīng)在國際*。這種激光“打印”金屬粉末的工藝，使得金屬材料冷卻凝固速度極快，組織細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)異，也具備了像鍛件一樣的高強(qiáng)度。

直徑4米的航天器部件拆分成6個2米左右的大零件，3D打印并加工后，再進(jìn)行整體焊接。在過去，這樣巨大的金屬件從開模具到鍛造，再到機(jī)械加工，是個非常浩大的工程，通常需要一年時間才能完成，而用3D打印的方式，僅需要3-6個月。張嘯雨說：可能我們*快的在明年，或者是后年都會有發(fā)射的型號來去做這樣的一個嘗試。我們大概現(xiàn)在有60件到100件的產(chǎn)品已經(jīng)是在完成了制造，而且已經(jīng)開始裝星，已經(jīng)開始做整星級的力學(xué)實驗。