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从大飞机到核电站:王华明成增材制造推动力量

2015-01-27 09:53
姚看江湖
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  风靡全球的3D打印技术,正在进入中国高端装备制造业:国产大飞机与三代核电站。

  主要推动力量,来自北京航天航空大学教授、国家技术发明一等奖获得者王华明。他的研发团队以技术入股,分别与中航重机和南风股份组建合资公司,致力于在中国高端制造领域推广3D打印。

  3D打印的“增材”制造思路,确有不可比拟的优势。中国航空企业和核电设计院拥有资本与技术实力,自然捷足先登。

  在国际上,以美国为首的部分发达国家,将3D打印视作制造业复兴的重要方向;同时,国内外也有不少业内人士认为,这项技术成本高、质量不稳定,对其前景看空。对这一领域持观望态度的产业资本,更是多数。

  “增材制造”

  学名“增材制造”的3D打印,是近年来最热门的概念。

  这一概念,与传统制造业的“减材制造”相对应,不经过机床铣、车、钻等传统“减材”切削加工,而是通过堆叠材料,来直接形成最终产品的一种制造理念。

  美国总统奥巴马,在2013年国情咨文中多次提及3D打印,将其视作美国实现制造业复兴的重要途径,这让其风靡一时。

  在这份国情咨文中,奥巴马展望了未来美国经济发展的蓝图,他特别强调了两大方向:产业回归和3D打印技术的广泛应用,“工人们将在美国学习和使用3D打印,这项技术可能颠覆整个工业体系。”

  奥巴马的言论,经过媒体解读和放大,迅速成为全球舆论焦点。

  事实上,这一概念并不新鲜,正是起源19世纪末“照相雕塑快速立体成型”的思想,业内称之为“上上世纪的思想,上世纪的技术,本世纪的市场。”

  北京航天航空大学教授王华明告诉笔者,增材制造技术在国内并非新鲜概念,虽然目前已在航空等领域有所突破,但短期内很难大规模应用于工业生产。

  王华明是中国激光增材制造领域带头人,国家技术发明一等奖获得者。他直言,目前媒体上炒作的商业3D打印,多用于“娱乐目的”,仅仅是增材技术在非金属模型领域的应用,并不代表该项技术的发展方向。

  只有高端装备制造领域的高性能金属构件生产,或生物医学支架生产等领域,才能真正发挥3D打印的高科技优势,整个打印过程宛如春蚕吐丝般,层层包裹,形成最终的形态。

  这对打印材料形成了极其苛刻的要求。目前,可供打印的材料品种主要有石膏、尼龙、树脂、金属等,原材料的形态限定在粉末状、丝状和液体状等仅有的几大类,绝非普通意义上的“材料”。

  在二三十年前,3D打印技术已经可以使用树脂等材料制作产品。电影《碟中谍》中,3D打印可以迅速打印出一张“人皮面具”,其细节早就深入人心。

  近几年,3D打印可处理的材料范围扩大到了金属,这才引发了业界对3D打印的高度关注,乃至被美国政府视作重振美国制造业的重要方向。

  在工业制造上,某些结构复杂的“异形”设备或零件,对加工精度和技术有着极高要求,但是,3D打印却可以轻松突破这种“几何约束”,理论上会大大降低制造难度和成本。

  航空领域突破

  作为中国3D打印技术产业化应用的领军人物,王华明正致力于在中国航空与核能领域推广该技术。

  目前,他的团队分别与中航重机和南风股份组建了专业从事3D打印技术研发和推广的子公司“中航激光”和“南方增材”,想借助上市公司力量,推动3D打印在工业化领域的落地。王华明团队以技术入股,在两家子公司中均占股约30%,。

  目前,3D打印在航空领域的进展领先于核电。中航工业董事长林左鸣曾对外表示,中国近年来在航空航天领域取得了一系列重大突破,离不开增材制造技术的飞速发展。

  军用飞行器的相关设备,由于特殊需要,设计非常复杂,传统生产思路从来是做“减”法。通过切割、磨削、腐蚀、熔融等工序制作零部件,然后再拼装或焊接成最终产品。

  这种制造思路,工艺复杂,难度超群,还会造成原材料的巨大浪费,成本不菲。

  例如,F22战斗机的机翼和机身连接件,用传统工艺制造,需要三个锻件拼装而成。此时,3D打印的技术优势就凸显出来,使用钛合金激光3D打印技术,一气呵成。

  目前正在研制中的国产大飞机C919,已经确定使用3D打印技术,生产钛合金主风挡窗框、机翼和机体衔接部位。据介绍,中美两国都有计划在战斗机和军用运输机的部分复杂零部件生产上,使用3D打印技术。

  2013年,王明华凭借“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,摘得当年的国家技术发明奖一等奖。

  但王华明坦承,由于强度和质量控制问题,飞机的关键部件还难以使用3D打印。“传统铸造、锻造等制造产业不可替代,3D打印在成本、质量和稳定性上,都还不能与传统制造业相比。”

  进军核电制造

  除了航空领域,王明华还谋划将3D打印技术运用到核电领域。

  南风增材的成立,正是出于这样的目的。南风增材的母公司南风股份,主营业务为空调通风设备的生产,核电通风设备占其全部产品线的比重超过60%,核电项目市场占有率超过70%。

  和飞机制造同属高端装备制造的核电领域,亦有大量设计复杂精密的零部件。尤其是三代核电,对安全性能和电站寿命提出了新的要求。相对于“二代加”核电站,三代核电站在设备制造上难度大大增加:原先可以采用焊接工艺的设备,现在需要一体化锻造;一些核级设备零部件,对工艺水准提出了更高的要求……

  目前,国产设备制造商正在通过四台示范工程核电机组,实现对AP1000三代核电技术装备制造的技术消化吸收工作。现实尴尬是,由于制造难度大幅提升,国产装备制造厂商普遍存在产品报废率过高、工艺不稳定的情况。

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