数字里的新质生产力｜如何一口气“打印”出16平方米零件？

《经济参考报》9月24日刊发记者袁小康采写的文章《数字里的新质生产力|如何做到一口气“打印”出16平方米飞机零件?》。文章称,在无氧密闭腔内,四根喷头喷出金属粉末,经高温激光作用瞬间熔化,在喷头的数控移动下,金属层层堆积生长,只需要数十个小时,一个面积达16平方米的复杂形状大型钛合金构件就能高效成型。

这是发生在北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室成果产业化基地——北京煜鼎增材制造研究院股份有限公司(以下简称“煜鼎增材”)车间里的真实一幕。“金属3D打印技术仅用一台高性能计算机、一组高精度激光头、一个大型金属构件增材制造数控机械平台,就能完成飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备大型复杂关键承力结构的快速生产。”煜鼎增材相关负责人告诉记者。

金属激光增材制造技术(俗称金属3D打印技术)的核心在于,通过计算机控制激光逐层扫描,熔化同步输送的合金粉末或丝材,层层堆积生长出三维复杂构件,从而制造出形状各异的高质量金属零部件。基于金属3D打印高温熔化和结晶过程智能控制,“传统铸造锻造技术难以突破加工尺寸上的限制”“成分复杂的金属材料大型构件难以保证成分质地均匀”等问题有了新的解决之路。

“以大型飞机机身钛合金大型承力框为例,最大零件外廓面积往往超过10平方米。采用传统的冶金铸锻技术,哪怕是压力达到8万吨级的超大锻造机也没办法直接加工,只能分成多个小型部分,加工完再拼接。而金属3D打印则可以直接增材成型,让零件数量大幅减少,结构重量显著减轻,强度尤其是韧性大幅提升,材料消耗和加工时间减少80%。”上述负责人表示。

实际上,金属3D打印技术的出现,不仅仅是制造工艺的一次革新,更是对传统制造理念的一次颠覆。

中国工程院院士、北京航空航天大学教授、大型金属构件增材制造国家工程实验室主任王华明表示,通过精确控制激光熔化金属粉末的每一层,金属3D打印技术实现了对材料微观结构和化学成分的精确调控。这一技术不仅可以在应用上实现更高效更具性价比的制造工艺,同时,通过对粉末直接熔化加工,还能够克服传统上新型合金冶炼时成分难以均匀分布的问题。这样不仅能保证大型金属构件获得晶粒细小、组织致密、成分均匀的内部品质,性能得到质的提升,而且还能利用激光熔化过程中极高的温度和结晶条件研发出化学成分全新的金属结构新材料。

“如果说传统冶金是一锅各种成分混杂而不均匀的‘乱炖’,那么3D打印就像‘超高速精细磨浆机’,可以获得成分完全均匀、质地非常致密的‘均质浆体’。对于逐渐面临工艺极限但性能要求却越来越高的金属材料制备,3D打印有望带来新的突破。”王华明说。

金属3D打印技术的成功应用,不仅提升了我国在高端制造领域的自主创新能力,也展示了我国在新材料、新工艺研发上的实力。

“通过‘产学研’紧密结合和长期努力,我国在国际上率先突破了航空航天重大装备高性能大型关键构件金属3D打印及工程化应用等核心关键技术。更重要的是,3D打印为重大装备金属结构新材料和高性能大型构件的高效绿色低成本生产制造开辟了新途径,是真正意义上的新质生产力。”王华明说。

展望未来,3D打印技术还有更广的增长空间。根据前瞻产业研究院发布的《2024年中国3D打印行业全景图谱》显示,随着3D打印产品在已有场景中的应用规模进一步扩张,以及新场景、新应用的不断开拓,预计未来六年中国3D打印产业规模将持续高速增长。预计2029年中国3D打印设备的市场规模将超1200亿元,2024年至2029年复合年均增长率约为19.5%。

“中国在3D打印技术领域的领先并不是巧合。”国投创合基金管理有限公司副总经理、首席投资官董川在谈到对3D打印赛道以及煜鼎增材的投资背景时表示,正是中国深厚的制造业基础为3D打印的应用迭代提供了充足的发挥空间,新技术才得以成功从实验室走向产业。这项技术不仅能够提升产品的制造效率和性能,还能助推制造业的转型升级,为国家的高端装备制造业提供强有力的支撑。

（编辑：马慧彬）