第206篇《走進王華明的世界——兼談對增材製造的認識》

釋題

王華明——中國工程院院士，1962年5月生，四川瀘州市合江縣人。我的母校北京航空航天大學材料學院教授、大型金屬構件增材製造國家工程實驗室主任、國防科技工業雷射增材製造技術研究應用中心主任。

世界——「物質世界」與「精神世界」雙重含義是也！前者指王華明主攻的專業方向：大型金屬構件雷射成形增材製造，後者指王華明及其團隊的奮鬥精神與

情懷。

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機緣

10月26日上午，在國務院發展研究中心國際技術經濟研究所聆聽王華明院士的講座，題目是《大型金屬構件增材製造變革性、挑戰、進展及其影響》，是一個很好的報告。王院士介紹了他和他的團隊矢志攻關，在增材製造領域取得的世界級成果，介紹了在已向世人披露的幾個新航空型號以及航天、核工業等領域中增材技術的應用，展望了該項技術的發展前景。

10月28日，北航65周年校慶日，喜逢華明院士，有幸在他的引領下，第一次走進他的實驗室和研發試製中心。他熱情而詳盡地介紹他的工作，在現場我看到如件件「寶物」般的成形樣件。傾聽報告，考察現場，學習新知，深受教誨，我為他的成就而感動；領悟和理解其中包含的科學內容，如醍醐灌頂，澄清了既往的一些模糊認識。

王華明院士的成就大多是在我卸任之後的時段獲得的，他的大名於我，雖如雷貫耳，卻無由結識。如今有此機緣，直接步入他的世界，還承蒙他把我當朋友，傾心展示，熱情賜教，使我得以事半功倍地了解這項技術，真是三生有幸，相識恨晚。在這裡，與大家分享我獲得的一些新知。不當之處，敬請指正。

四塊赫然的銘牌：大型金屬構件增材製造技術國家工程實驗室，雷射增材製造技術國防科技工業研究應用中心，大型關鍵金屬構件雷射直接製造北京市工程技術研究中心，大型整體金屬構件雷射直接製造教育部工程研究中心

釋義

增材製造（Additive Manufacturing，AM）是相對於減材製造（Subtractive Manufacturing，SM）而言的一項技術，一增一減，大相逕庭。以金屬切削為例，SM是在一個基礎坯料上，按照工藝路線，用工具機和刀具進行切削，使留下的部分成為所需要的型面；整個過程，猶如減法，坯料越來越小。譬如，製造一件飛機機身鈦合金加強框，原始模鍛件質量近3噸，加工後的零件不足150公斤，金屬利用率僅4.8%。而AM是利用數位化技術，由零件的三維數據驅動，通過材料的累加，直接製造出所需零件，整個過程，是做加法，恰如一個神奇的生長過程，零件從無到有，越長越大，直至成形。

AM並不是新概念，有諸如「快速原型製造（Rapid Prototyping）」、「三維列印(3D Printing)」、「實體自由製造(Solid Free-form Fabrication)」等從不同側面描述其特徵或應用的多種稱謂。上世紀80年代，美國科學家查爾斯•胡爾（Charles Hull）發明光固化成形技術，製造出全球首個增材製造部件，並獲得全球第一項增材製造專利。以1987年成立商業化增材製造設備公司為標誌，全球進入增材製造時代。隨後，熔融沉積成形（FDM）、雷射選區燒結（SLS）、雷射選區熔化（SLM）、雷射近淨成形（LENS）、電子束選區熔化（EBSM）、三維立體列印（3DP）、分層實體製造（LOM）、生物3D列印等技術先後出現。我國也在80年代末，啟動增材製造技術的研究，開始研製增材製造裝備和開展產業化應用。

隨著相關技術的成熟與支撐，AM越來越實用化，特別是近年來3D（dimension，維度）列印技術飛速發展，深入人心，幾乎成為增材製造的代名詞。3D列印這個概念具象而貼切。印表機列印紙面文件，人們再熟悉不過了，現在只不過增加了一維、即高度，而構成立體的概念與實物。以3D列印為代表，增材製造進入一個嶄新發展階段，在科研樣件試製、單件和小批量製作和眾多民用領域，大有成為主流製造方式的趨勢。迄今，AM的內涵仍在不斷深化，外延也在不斷擴展，正成為一個宏大的技術體系。

AM技術不需要傳統的刀具和夾具以及多道加工工序，可快速製造出任意複雜形狀的零件，是解決複雜結構零件成形的有效途徑，而且產品結構越複雜，材料越難加工，其優勢越明顯。公認的關鍵技術包括：材料單元的控制，增材組織的一致性，以及加工效率問題等。AM在航空的應用重要而迫切，在部分替代SM的探索中，最具希望的是雷射成形增材製造。

成就

王華明的成就正是在該領域獲得的。十餘年來，他牽頭主持了該領域的多項重要科研項目，獲得多項發明專利。他和他的團隊全面突破了飛機鈦合金大型複雜構件雷射製造工藝與性能控制技術，研製出迄今世界上最大的金屬構件雷射直接製造工程化成套裝備，建立了相應的技術標準體系，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雷射快速成形技術的國家，並將雷射成形增材製造構件成功用於J15、J11B、Y20、J20、C919等七種新機。這是了不起的世界級成就，這表明在該項技術方面，中國人已經走在世界的最前列。

在2013年1月18日舉行的2012年度國家科學技術獎勵大會上，「飛機鈦合金大型複雜整體構件雷射成形技術」項目獲得國家技術發明一等獎。王華明也於2015年因世界級的科技成就而獲評中國工程院院士。

我不能詳介軍機應用，也不能拍照實驗室設施和研製現場，但可以同大家分享以下應用案例。C919機頭上的鈦合金主風擋整體窗框，尺寸大，形狀為複雜的空間雙曲面構件，國內飛機製造廠無法用傳統方法做出，唯一能夠做出的一家歐洲公司，則要價奇高，且交貨周期長；王華明團隊以不足國外鍛造模具要價十分之一的費用製作完成。C919的中央翼一號肋鈦合金上緣條，傳統鍛件毛坯重1600公斤，而他們用雷射直接成形技術製造出的精坯重量不到137公斤，切削加工重量不足鍛件的5%。迄今，王華明團隊製造出的最大構件為飛機鈦合金超大型加強框，外廓尺寸4650×3500×200毫米，投影面積16.3平方米。

解惑

在我和王院士面對面交流之前，我對增材製造用於航空、特別是主承力構件是心存疑惑的。最大的心結是，成形可信，但力學性能存疑，且認為加工方式與效率難以適應大規模工程實用。飛機上的構件、特別是承力構件，對於力學性能要求太高了，而且要承受嚴苛工作環境的長期不間斷考核。

但在學習考察後，我對於金屬雷射成形增材製造，有了較為全面的認識，上述疑慮基本解除。王華明團隊研發的成套技術，很好地解決了難熔、難加工、高性能、非平衡新材料製備與結構製造一體化難題，一舉擺脫了傳統冶金對材料製備與構件性能的原理性制約，在雷射成形的同時，實現了冶金技術的變革；而且，隨著技術突破和裝備改進，生產效率也已提高到可基本適應規模化工業生產的水平。

由雷射束產生的局部高溫，使合金粉末（絲）熔融，繼而快速凝固，逐層堆積；這時「長」出來的零件，不僅具有特定型面，還擁有了超過鍛件的力學性能。在這樣的工藝條件下製成的構件，其組織的力學性能呈各向同性，無壁厚效應，無位置效應；通過優化工藝過程與參數，使晶粒形態、內部缺陷、微觀結構等嚴格受控，克服構件的變形、開裂等現象，使製作出的構件全面滿足了設計要求。其中在微細AM中，所形成的微細定向柱晶高溫合金，其疲勞強度、蠕變量等指標超過二代單晶。

效率問題也基本解決。最初，7、8個小時才能做出一個A4紙大小的次承力結構件，而現在的成形效率已經達到每小時300公斤料材，製作一個外擴尺寸達數米的主承力框構件只需幾十小時，已超越傳統減材加工的效率，工程實用已無實際障礙。

情懷

參觀那天，是周六，但幾名年輕老師和科研人員還在辦公桌前伏案工作，試製現場則熱火朝天。大個頭的自製設備正在操作加工。設備臺面按指令移動，隔著觀察窗，封閉的腔室裡雷射束燦爛，由兩隻噴口送出的金屬粉末旋即被融化，一個亮晶晶的大型構件正在「生長」。

在工作現場，我的內心有點複雜，掛有四塊銘牌的實驗室和技術中心，是由北航老體育館改建的，條件相對簡陋，甚至可以說是相當簡陋。王華明和他的團隊就在這樣的環境裡，懷揣夢想——「讓中國飛機和發動機用上雷射直接製造構件」，埋頭苦幹十數載，突破了一個又一個技術難關。

王華明團隊有八名主研人員，是一個精幹、敬業與奮進的集體。他們有理想、有情懷、有擔當，憑著對雷射成形增材製造技術的深刻認知，為了祖國的航空事業和高新製造技術的發展，咬定青山，多年如一日，矢志奮鬥，終取得世界領先的成就，且還正高歌猛進。

王華明特別重視需求牽引，成果落地。他認為，所有的創新都是始於對實踐和對現有知識的深度認識與靈活應用，而要創新就必須腳踏實地，必須結合國家重大戰略需求，把成果用於工程實際。在這樣的理念下，他積極踐行與飛機設計所、製造公司的合作，創建產學研融合協同模式，促成了科技創新和工程創新的雙重跨越式發展。多年來，團隊一直與瀋陽飛機設計研究所（601所）等單位親密合作，取得了一系列矚目成績。王華明做出的貢獻得到了航空工業領域的肯定和高度評價，2013年中國航空工業集團公司特授予他「航空報國金獎」一等獎，林左鳴董事長還親臨學校為他授獎。在實驗室，華明院士特意指著裝裱在一個大鏡框裡的、放大的感謝信，說：這封信來自西飛公司，我把它看得如同獲獎證書一樣珍貴，因為這是來自一線的認可，且發於春節前，令我們深為感動。

前瞻

有人說，增材製造技術正在成為發達國家實現製造業回流、提升產業競爭力的重要載體；新一輪的全球製造業競爭，極有可能是3D列印與機器人等高端裝備的競爭。參觀之前，不信此說；參觀之後細思，覺得這種說法還確有道理。

工業產品設計的基本路線是，為實現特定功能，先構建整體構造。為了把它造出來，又不得不把整體拆分。這是不得已而為之，是製造技術的制約使然。增材製造的出現帶來改變，但起初適應範圍較窄，主要限於特殊工藝，或用於製造別的手段造不出的零件。隨著技術進步，增材製造能力日新月異，增材製造範圍愈加寬泛，一個以設計製造一體化、整體化程度提高為特點的新時代正在走來，對傳統設計、傳統工藝的顛覆性已近在眼前。

飛速發展的增材製造技術為結構的輕量化、整體化、高性能帶來工程實現的新途徑，完全可能反推設計的變革。而航空領域將首當其衝地獲益。因為飛機設計師的神聖使命之一就是千方百計降低結構重量係數，為減去每一克無效載荷而奮鬥。而發動機性能集中體現在推力/重量比或功率/重量比的持續提升，兩個性能參數的分母都是自重，在滿足性能要求的前提下，儘可能減小自身質量，乃是永恆的追求。更深刻的影響還在於，卓越的力學性能令我們嚮往，整體化結構有望使產品結構由繁而簡，零件數的急劇減少和配合面的簡化，將直接帶來可靠性的大幅提高，這既是未來航空器的福音，也可視為中國航空實現超越發展的機遇。

問題在於我們能否抓住機遇。作為一項正在發展中的製造技術，增材製造當然還有大量研究工作需要做，如材料體系與材料製備、零件的組織與性能控制、應力變形控制、缺陷檢測與控制、大型裝備研發等，以及科學原理的規律性認識與描述等，這些都需要我們做出周密安排，並紮實推進。但當前更為重要的是，要對這項技術的戰略意義有足夠的認識。當西方多家航空製造公司正在加快推進這項技術，對王華明的成果表示濃厚興趣時，我們一定要有更高更深的認知，要慧眼識寶，不妄自菲薄，要保護我們的技術秘密和商業秘密，要採取各種有效措施，促進這項技術獲得更大發展和更大規模的應用。 在此問題上，一定要有敏銳的嗅覺、睿智的判斷、主動的策劃和果敢的實踐。

建議

有鑑於上，我有如下建議：

（1）採取措施，向王華明的實驗室和技術中心投入技術改造和條件建設專項經費，讓這個中國少有的、院士領銜、世界領先的領域，有與其地位相稱、與未來發展要求相適應的環境與條件。

（2）增材製造的領域很寬，王華明院士的研究只是其中的一個分支。我們需要對整個增材製造（非金屬、金屬、生物）技術體系和寬領域的應用做出國家層面、行業層面的規劃與戰略布局。

（3） 以軍民融合為契機，加大產學研用創新機制建設的力度。可以考慮，創建工業部門與北航、或其他院校/研究機構聯合、多種形式的創新基地，以需求牽引科技創新，加快產業化、工程化進程。

（4）鑑於飛機上大型金屬結構件的增材製造已有很好基礎，應就進一步擴大應用，以及改進設計工作，做出新的思考和安排。

（5）鑑於在航空發動機領域，我們基本未起步，與世界先進航發企業的動向相比，不容遲疑，應以增材製造與航空發動機之關係為專題，開展深入研究。不僅研究現行技術體系下應用該技術的可行性，還要研究這項技術與結構整體化等發展趨勢的互動關係，預判該技術的未來發展，探討該技術對傳統發動機設計的反作用，促進設計、工藝理念變革，尋找跨越和超越的路徑。

（6）由政府或行業出面，組織會戰，發揮學校、科研單位及生產製造企業的各自優勢，發揮使用部門與國家機械裝備製造基礎工業機構的各自優勢，揚長補短，製造出一流的、系列化的增材製造裝備，主要是先進大型裝備，以保障增材製造領域的技術發展和應用的迅速擴展。