王华明：金属3D打印“智造”大国重器

华明团队正在面向国家重大装备发展的战略需求和先进材料制造技术国际前沿，开展重大装备新一代高性能金属结构件及其大型关键构件高效、低成本、高精度增材制造技术研究和应用。

“国产大型客机C919圆满完成首次商业飞行！”2023年5月28日，自上海虹桥国际机场起飞的东航MU9191航班平安降落在北京首都国际机场。“国产大飞机”成功研发的背后，有着来自北京科研的贡献——中国工程院院士、北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院教授王华明带领团队研发的飞机钛合金等大型复杂构件激光增材制造技术，仅用55天，就做出了C919机头钛合金主风挡整体窗框。

这项技术，也被称为“金属3D打印”，是以合金粉末或丝材为原材料，在计算机控制下通过激光逐层扫描，熔化并急冷凝固堆积，实现大型复杂金属构件的快速成型制造。我国运—20运输机、长征五号B运载火箭、祝融号火星探测器等“大国重器”上，用3D打印技术制造的大型关键金属承力构件都发挥着重要作用。

实现金属构件“智造”

在王华明的实验室，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，就能完成重大工业装备大型复杂关键承力结构的快速生产。

传统的金属铸造会伴随着四溅的火星，而在大型金属构件激光3D打印机中，待加工的金属材料上亮起一阵小“火花”，不到一分钟，“火花”熄灭，原本光滑的表面上便“长”出了约3毫米高的环形结构。在这背后，有计算机建模作为“大脑”，对目标零件切片分层，绘制模型图并生成相关数据；有激光头发射激光形成微小的高温熔池，逐层熔化金属粉末，堆积形成新的金属构件。

原理听起来并不复杂，但围绕其中的核心关键问题，王华明带领团队攻关了30余年。

钛合金等高性能大型关键金属构件制造是高端重大装备制造业的基础和核心技术。传统的金属铸锻技术制造周期长、成本高，还受到铸锭冶金和锻造成形的原理性制约。即使用世界最大的8万吨锻造机锻造钛合金零件，最大尺寸也不超过5平方米，无法满足大型关键金属构件的生产需求。此前，国际上曾有科研团队开展过飞机钛合金构件激光增材制造技术研究，最终因打印构件在疲劳等性能方面无法满足要求而放弃。

1995年，王华明带领科研团队正式开启“金属3D打印”的研发之路。小型零件的打印研究很快有了突破，但当零件体积变大，问题随即出现——零件尺寸越大，内部的热应力越高，打印时就越容易变形或开裂，凝固結晶及冷却过程控制不好也会导致冶金缺陷。

为了找到变形、开裂的原因，王华明和团队成员轮班值守在平台前，24小时不间断、20多天不停歇，随时调整建模数据。每一个打印出的金属构件，都必须经过严格的研制流程检验。“未来这些零件都是要装到重大装备上的，和安全息息相关，容不得半点失误。”

从小零件到“大块头”

十年磨一剑，2005年6月，王华明团队研制出的我国第一个3D打印钛合金小零件被装上飞机，金属3D打印技术迈出了标志性的一步。但从小零件到“大块头”，仍有重重关卡需要突破。

在国产大飞机C919研制过程中，机头的风挡窗框看起来结构简单，实际上，其空间形状极为复杂，用传统的锻造、焊接等方法无法完成。那时，全世界范围内只有欧洲的一家公司能够锻造，对方也开出了价格——模具费就要200万美元，制造周期则要2年。

王华明接下了这项任务。原本团队计划在腊月二十之前完成研制，但各种小问题一个个冒出来，一直拖到了除夕夜。那晚，零件好不容易打印成型，但又大又重的零件没法放到炉中进行后续的应力处理，坚守在岗位上的团队成员都一筹莫展。

最终王华明决定，大家都先回家，吃团圆饭。大年初一，他一大早就赶到实验室，看到的却是裂成三段的零件。“做技术就是这样，困难和问题如影随形。失败的时候沮丧一会儿，爬起来继续干。”王华明说，后续，团队成员用一个简单的物理学原理化整为零、积零为整，最终实现了内应力离散，大型构件内应力大、容易开裂的问题得到了解决。

这个C919上的“大块头”，从零件打印、热处理、测试检验到运输交付，整个制造周期不足55天，成本不足锻造模具费用的十分之一。

向技术前沿持续突破

从火星四溅的金属冶炼，到激光扫描实现3D打印，跨越数千年的技法有了新的生命。这项称得上“神奇”的金属3D打印技术，帮助大型关键金属构件制造能力和材料性能水平更进一步，我国成为世界上唯一一个掌握该技术，并付诸实际应用的国家。

11年前，中共中央政治局以创新驱动发展战略为主题的第九次集体学习活动来到中关村，荣获了国家科技发明一等奖的飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术，被遴选为第一项重点学习调研内容。王华明作为技术发明人，在中关村的这间“课堂”上讲解了国内、国际3D打印技术现状和市场前景。“这次的经历，给了我极大的鼓舞，让我有更大的动力继续奋斗在科研的道路上。奋斗很快乐，特别是为国家民族奋斗，荣誉感自豪感自不待言。”

现在，王华明依旧坚守在科研和教学一线，在他的实验室里，“报国使命 创新引领 激情敏行 卓越超越”的16个大字格外显眼。“看着零件像树苗发芽一样一毫米、一毫米地堆积生长，那种感觉非常奇妙。”他说。

北京的科创环境，为王华明团队提供了创新研究的沃土。“在全国范围内，北京在科技创新上毫无疑问是处在引领位置的。”王华明认为，这种引领不仅体现在科创力量、科研队伍、科研平台等方面，还包括了超前的理念、宽松的环境、务实的政策等。在他看来，北京科创的发展势头正劲，未来，北京将成为在世界上具有影响力的、全世界科技人员向往并希望加入的地方。

当下，王华明团队正在面向国家重大装备发展的战略需求和先进材料制造技术国际前沿，开展重大装备新一代高性能金属结构件及其大型关键构件高效、低成本、高精度增材制造技术研究和应用。未来，金属3D打印技术不仅会改变大型零件制造工业固有的大、重、贵的面貌，还将会走进千家万户。