無限可能的硬核科技
——金屬3D打印

演講者/王華明

什么是3D打印？

因為3D打印就是過去這十來年非常地熱，就是老百姓都對它很關注。本身3D打印這個技術以前叫快速原型制造技術，并不是一個什么新的技術，這個技術在1980年就發明了。這個技術的核心就是有了計算機有了數控技術以后，你可以把這個模型在計算機里面切成無窮多的薄片，就像我去醫院去做CT，腦袋做CT，得到的是一張一張的片子，把每張片子那個圖形完全粘起來就得到個腦袋。所以它本質上說就是這么個技術，但是它原理帶有顛覆性。

今天我們要講的3D打印，應該說跟傳統的東西有所不一樣。我們課題組其實在大家遠不關注的時候，我們就在做，但是我們是從另外一個路去做。我們是從材料這個角度去做，這個是很難的。這個技術能不能成，那還不好說。

傳統技術的天花板劣勢

3D打印我們第一瞄的目標是重大裝備。其實重大裝備的一個發展趨勢就是越來越大，要去把它制造出來，這就比較困難了。金屬構件你說它的性能怎么才會好？我覺得金屬類零件，其實你要說簡單特別簡單，跟北方人做面食一模一樣。

你只要把面粉磨得足夠的細，把它揉起來，面粉之間是完全緊密的，里面沒有氣孔、沒有間隙。如果說你加了糖加了鹽，能把它揉得非常地均勻，這個時候這面條一定拉得很長，我們說它塑性好。拉得長了，你去嚼的時候，我們說它筋道，就是它強度高。另外你揉得很均勻，我說口味好。金屬材料就是這樣，如果你能做到它里面的晶體，就相當于面粉，小晶體很細，晶體和晶體之間完全是緊密接觸的，沒有縫隙，它的化學成分完全是均勻的，材料強度就會非常非常地高，性能就會很好。

但是現在我再講一下現實，真正大型構件的制造能力，其實它是一個傳統技術，我們說煉鋼、煉鐵、鑄錠、鍛造。那么現在這些大型構件用傳統的方法怎么去做？你首先要煉出10噸20噸鋼水，要把合金元素要加進去，煉鋼過程就會很難了。你要把這個鋼水要煉好，要把元素加進去，輕的不能往上漂，重的不能往下沉，夾雜物含量也不能高，所以這是一個高技術，甚至說現在是冶金科學、材料科學里面應該說是還是非常前沿的一個技術。

第二個比這個還要要命，結晶是高熔點的東西先結晶，低熔點的東西后結晶，熔點高的先出來，熔點低的后出來。同一個晶體，從芯部到皮上化學成分不一樣，就意味著它力學性能，所有性能都不一樣。

第三個問題就緊接著出來：結晶一定是從表面上開始結晶，然后慢慢慢慢往里面走。金屬變成固體的時候，跟水結冰不一樣，水結冰體積膨脹，金屬結晶體積要收縮，中間收縮了，中間就是個空心蘿卜，所以這就是為什么我們說鑄件的性能不好。但是很多地方，咱們還用鑄件，鑄件咱們有3000年的歷史，所以從青銅器時代咱們就鑄造。咱們的老祖宗在這個領域里面世界上是領先的，但是鑄件這個毛病是共有的，只是說零件的大小不一樣，可能嚴重程度不一樣。現在就是全世界來說，你要做真正太大的東西做不了。某種意義上說，大型構件的制造能力，就到了天花板。

3D打印突破天花板劣勢

3D打印，那現在為什么要去干這個事？我們想通過這么一種思路，去突破材料的天花板：通過熔化凝固過程，能讓它晶體變得很細，而且很致密，里面沒有孔洞，然后還能把大的零件做出來，這就是我們團隊，過去20多年的一個目標。

現在就變成是這樣，剛才說要煉幾十噸，現在我就是用粉或者用絲，我變成是那個小熔池，變成煉20克或者是幾克。一煉它往前一跑，熱量迅速地往下傳，可能這個時候，冷卻速度每秒100萬度，冷得是非常地快，這個時候它結晶出來的晶體就會非常非常地細。然后我下面再來第二層，一層層往上長，這個事情就解決了前面我講冶金的所有的天花板，不管你形狀多復雜，我永遠在平面上畫圖，但是我一直往上畫，就畫出個三維立體的東西。理論上說，你不管多復雜的金屬零件，我可以做到。它帶來材料技術和制造技術的變革，也就是說它的天花板，可能一捅就破了，很簡單了。

但是，是不是簡單？下面我給大家介紹一下，非常困難，太難了！剛才我給撒老師看那個小零件，現在看來易如反掌。在我們20年前做的時候，就那零件去一做，還要開裂。那激光一照上來可能兩千五百度，激光一跑了以后剩下100度，下面又來3000度，一下又冷下去，就相當于劇烈的激冷激熱，這里面就內應力會非常地大，這個東西最終零件就會開裂。所以理論上說，要做大零件非常非常困難。要能做出可以穩定的，能夠真正能走向應用的這種裝備，能夠建立起一條保證質量的、保證品質的、保證生產過程的、全套的技術標準，難題可能就在這幾方面吧。當然我們也很欣慰、也很自豪，就是我們從3D打印的工藝我們自己做，3D打印機自己做，材料自己做，標準自己做。這是個小的打印機，這個打印機給你介紹一下。這個打印機你看特別土，我一直有時候開玩笑，我說我們這是“村姑”，沒有修飾、沒打扮，但是它是品質很高的。為什么高？你看那個箱子，能打12個平方米大的零件。八萬噸的水壓機打5個平方，這個小家伙能打12個平方。而且這設備也是自己設計自己制造，也就說你做這種重工業的裝備變成是在一個實驗室里面智能制造。

今天我借這個機會，就希望各位聽眾，也可以關心這個技術的發展，我覺得它對未來是一個很重要的技術。就講這么多，謝謝大家！