王华明:无限可能的硬核科技
开讲啦(2020年7月25日)中国工程院院士 北京航空航天大学教授 王华明(视频)
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中国是目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现工程应用的国家，这项技术为我国重大装备的研发作出了不可磨灭的贡献。本期《开讲啦》中国工程院院士、北京航空航天大学教授王华明，作为中国金属3D打印技术领域的第一位院士，他带观众走进他的“硬核”专业，分享他在这个领域的成果和思考，一起感受有趣的3D打印世界。
王华明院士研究的技术，竟然让专业主持人撒贝宁都不得不拿着手卡介绍——钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形技术。这么长的专业名词，究竟是怎样的神奇技术？王华明院士深入浅出地给大家做讲解：“大型整体主承力结构件”就像人身上的大骨头，是大型机械中主要承力的部分；而“激光快速成形技术”，用大家耳熟能详的词语来替换就是“3D打印技术”。我们就可以理解成用金属3D打印技术来制造重大装备中主要承力结构件的技术。是不是很长知识呢！
“3D打印”是近十年来的一个大热词，不断地出现在人们的视野中，我们生活中的很多角落都用上了3D打印技术。那么王华明院士为什么致力于金属3D打印技术的研究呢？未来对于重大装备的要求都是越来越大，质量越来越高，但是传统大型金属构件的制造由于金属基本物理原理的限制，面临很大的困难。
王华明院士形象地把传统大型金属构件的制造原理比喻成做拉面：金属里的晶体就像面粉，面粉如果磨得足够细、揉得足够均匀，就能拉得很长，即金属的塑性好；面条嚼起来筋道，即金属的强度高。虽然铸造的原理很简单，但是当铸造的构件变得很大时，会导致制造出来的金属构件的各方面性能都不如人意。而金属3D打印技术，则化整为零，每次都只冶炼很少的金属，一点点“画”出一个大型的金属构件，突破了材料制造的天花板。王华明骄傲地说：“金属3D打印技术带来材料技术和制造技术的变革！”
谈到金属3D打印技术的发展前景，王华明充满希望。他说金属3D打印技术首先会对材料带来变革性的影响，有可能产生新一代的更高性能的合金材料；其次，会真正变革和影响装备，大大减少飞机自重，加大载重量；而最重要的是金属3D打印技术会带来整个制造模式的变革，让未来的装备真正实现“个性化”定制！
除了金属3D打印领域，王华明也展望了3D打印在生命科学领域的发展前景。现在的生物3D打印技术已经能够实现部分人体组织的打印，拯救病人生命。在节目中，来自沐川朱鹮繁育中心的青年代表分享了一只被3D打印救治的朱鹮的故事：好斗的雄性朱鹮在求偶过程中不幸折断了喙，在饲养员的努力下，终于用3D打印技术制造出人工喙，让这只朱鹮能够重新自主采食，甚至能完成梳理羽毛等精细动作，让王院士和主持人都惊叹不已。
回顾漫长的科研生涯，王华明用“都是玩出来的”来形容自己的科研成果。在王华明看来，科研就是“玩”，要一直保持一个“玩”的心态去面对大家以为枯燥的科研工作，永远保持一个好奇心去探索，永远怀抱着一颗赤子之心去面对未知的一切。同时，“玩”更意味着享受每一个过程，像王华明说的“风景在沿途，可能不一定是在目标上”，但重要的是一步一个脚印地往前走下去，遇到挫折也绝不气馁。
什么是3D打印？
因为3D打印就是过去这十来年非常地热，就是老百姓都对它很关注。本身3D打印这个技术以前叫快速原型制造技术，并不是一个什么新的技术，这个技术在1980年就发明了。这个技术的核心就是有了计算机有了数控技术以后，你可以把这个模型在计算机里面切成无穷多的薄片，就像我去医院去做CT，脑袋做CT，得到的是一张一张的片子，把每张片子那个图形完全粘起来就得到个脑袋。所以它本质上说就是这么个技术，但是它原理带有颠覆性。
今天我们要讲的3D打印，应该说跟传统的东西有所不一样。我们课题组其实在大家远不关注的时候，我们就在做，但是我们是从另外一个路去做。我们是从材料这个角度去做，这个是很难的。这个技术能不能成，那还不好说。
做科学要有一生磨一剑的精神。
我印象特别深，2006年的年底，也就2007年的春节，做了历史性的一个零件，这个家伙一米八几。原计划可能是做到腊月二十五，后来到腊月二十六、腊月二十七，最后说能到腊月三十，晚上八点总算把这个零件干完了。那时候装备的水平也不高，工艺的水平也不高，中间设备老出问题，那个是第一次大概通过这么多努力，总算把这个大零件能够做成。拿出来了，拿出来又是热的，抬也抬不动，一二百公斤。抬进来那个时候，外边鞭炮放得噼里啪啦，大家都催着回家过年。干到八点过，实在抬不动了，我说这样，这个就放在外边吧。我说我有生以来大概第一次，就是整个回家的过程当中，心里面就是那种悬起来这种感觉，总觉得有事。第二天早上一去看，零件好好的在那块，裂成了几大块。干了这么久，可能用了几个月的时间，前面用了两年多的努力解决了这个问题。都打印完了，大功都告成了，当然你很心疼，但这种就是教训，自己知道了。碰到这样问题很多。我觉得这就是说做科研说十年磨一剑。我认为如果要做出真正有价值的，对国家有用，在科学上、在技术上有实质性进步的这些成果，可能一生磨一剑，未必能磨成。必须要有这种精神，能够执着于去解决它。
传统的金属零件制造技术有着怎样的天花板劣势？
3D打印我们第一瞄的目标是重大装备。其实重大装备的一个发展趋势就是越来越大，要去把它制造出来，这就比较困难了。金属构件你说它的性能怎么才会好？我觉得金属类零件，其实你要说简单特别简单，跟北方人做面食一模一样。
你只要把面粉磨得足够的细，把它揉起来，面粉之间是完全紧密的，里面没有气孔、没有间隙。如果说你加了糖加了盐，能把它揉得非常地均匀，这个时候这面条一定拉得很长，我们说它塑性好。拉得长了，你去嚼的时候，我们说它筋道，就是它强度高。另外你揉得很均匀，我说口味好。金属材料就是这样，如果你能做到它里面的晶体，就相当于面粉，小晶体很细，晶体和晶体之间完全是紧密接触的，没有缝隙，它的化学成分完全是均匀的，材料强度就会非常非常地高，性能就会很好。
但是现在我再讲一下现实，真正大型构件的制造能力，其实它是一个传统技术，我们说炼钢、炼铁、铸锭、锻造。那么现在这些大型构件用传统的方法怎么去做？你首先要炼出十吨二十吨钢水，要把合金元素要加进去，炼钢过程就会很难了。你要把这个钢水要炼好，要把元素加进去，轻的不能往上漂，重的不能往下沉，夹杂物含量也不能高，所以这是一个高技术，甚至说现在是冶金科学、材料科学里面应该说是还是非常前沿的一个技术。炼钢相对说还容易一点。现在一切的毛病在后边：炼出二十吨钢水，要把它浇出来，浇到一个铸锭里面，让这个钢水，假如随便说一千七百度，让它慢慢地冷却，从液体变成固体，我们称之为结晶。所有的问题，根会出在这块。大东西一浇出来，很热，一千多度，就冷却速度就很慢。物理学的基本原理：只要冷却速度一慢，这个时候从液体变成固体，要结晶的时候，单位体积里面能形成的晶体的数量就会很少，所以晶体就会长得特别地粗大。刚才我说做面粉，面粉粗了，可能就强度也没了，塑性也没了，这是第一个难题。这个难题我个人认为，从原理上说是解决不了的，没招。第二个比这个还要要命，结晶是高熔点的东西先结晶，低熔点的东西后结晶，熔点高的先出来，熔点低的后出来。同一个晶体，从芯部到皮上化学成分不一样，就意味着它力学性能，所有性能都不一样。就像我炒菜，本来加进去盐，是希望大家觉得挺好，结果那个盐咸的地方你没法吃，淡的地方你觉得很难受，就是你加进去的东西反而起坏处。这也是物理冶金基本的原理，突破不了。第三个问题就紧接着出来：结晶一定是从表面上开始结晶，然后慢慢慢慢往里面走。金属变成固体的时候，跟水结冰不一样，水结冰体积膨胀，金属结晶体积要收缩，中间收缩了，中间就是个空心萝卜，所以这就是为什么我们说铸件的性能不好。但是很多地方，咱们还用铸件，铸件咱们有3000年的历史，所以从青铜器时代咱们就铸造。咱们的老祖宗在这个领域里面世界上是领先的，但是铸件这个毛病是共有的，只是说零件的大小不一样，可能严重程度不一样。那么对像飞机起落架，或者航空航天等等一些重要装备当中这么一些关键构件，咱们不敢用。这个时候怎么干呢？那就后面要去锻造，要用锻造机。锻造机干什么呢？首先想办法把这个铸件加热到高温，烧软了，把那空心里面给我压实，里面有夹杂物给我压碎。但是要压实，你可以想一想，压一点力不够，你得使劲往下压，很大的零件你就需要有非常大的压力机。现在世界上最大的八万吨的液压锻造机，在咱们中国第二重型机械集团有限公司，在德阳。八万吨压下去，能压多少呢？刚才说钛合金的这种零件，能压到五平方米。超过五平方米的，想做更大，压不动了。现在就是全世界来说，你要做真正太大的东西做不了。某种意义上说，大型构件的制造能力，就到了天花板。
3D打印是怎样突破传统技术的天花板的？
3D打印，那现在为什么要去干这个事？我们想通过这么一种思路，去突破材料的天花板：通过熔化凝固过程，能让它晶体变得很细，而且很致密，里面没有孔洞，然后还能把大的零件做出来，这就是我们团队，过去二十多年的一个目标。
现在就变成是这样，刚才说要炼几十吨，现在我就是用粉或者用丝，我变成是那个小熔池，变成炼二十克或者是几克。一炼它往前一跑，热量迅速地往下传，可能这个时候，冷却速度每秒一百万度，冷得是非常地快，这个时候它结晶出来的晶体就会非常非常地细。然后我下面再来第二层，一层层往上长，这个事情就解决了前面我讲冶金的所有的天花板，不管你形状多复杂，我永远在平面上画图，但是我一直往上画，就画出个三维立体的东西。理论上说，你不管多复杂的金属零件，我可以做到。它带来材料技术和制造技术的变革，也就是说它的天花板，可能一捅就破了，很简单了。
但是，是不是简单？下面我给大家介绍一下，非常困难，太难了！刚才我给撒老师看那个小零件，现在看来易如反掌。在我们二十年前做的时候，就那零件去一做，还要开裂。那激光一照上来可能两千五百度，激光一跑了以后剩下一百度，下面又来三千度，一下又冷下去，就相当于剧烈的激冷激热，这里面就内应力会非常地大，这个东西最终零件就会开裂。所以理论上说，要做大零件非常非常困难。要能做出可以稳定的，能够真正能走向应用的这种装备，能够建立起一条保证质量的、保证品质的、保证生产过程的、全套的技术标准，难题可能就在这几方面吧。当然我们也很欣慰、也很自豪，就是我们从3D打印的工艺我们自己做，3D打印机自己做，材料自己做，标准自己做。这是个小的打印机，这个打印机给你介绍一下。这个打印机你看特别土，我一直有时候开玩笑，我说我们这是“村姑”，没有修饰、没打扮，但是它是品质很高的。为什么高？你看那个箱子，能打十二个平方米大的零件。八万吨的水压机打五个平方，这个小家伙能打十二个平方。而且这设备也是自己设计自己制造，也就说你做这种重工业的装备变成是在一个实验室里面智能制造。
很多事情都是无心插柳。风景在沿途，可能不一定是在目标上。
几十年你要说怎么去解决，我想最重要一条：很多事情靠试验、靠碰运气是不成的，一定是你有理论做指导。还有一个，如果你要去做这样的技术，可能你的身体得好，你的心理素质可能也要非常地高，否则你经受不起这种失败。
2006年，我们在中国飞机强度研究所去做试验。当时拿去一比，最终做完的疲劳性能，有一部分就比锻件差，没有超过锻件。那就意味着你锻件都比不过，你这条路就死了。当时那个王向明副总师和我一天之内可能嘴唇上那就起血泡了，可能过几天这里就黑了。然后当然回来也得想办法，为什么不行？所以回来我们就去改变我们热处理的制度。现在我们的高强高韧的钛合金的基本思路，就是那个时候玩出来的一种新的热处理工艺。然后能够得到特殊的组织，过了一个星期又拿去做，一切都上去。
解决的问题，可能都是一个个来的，就是一个一个地去做。有时候可能有无心插柳的。本来是希望跑到那地方去摘苹果，结果路上发现了野山参，风景在沿途，可能不一定是在目标上。就是很多新的东西，一定是这样出来的。
3D打印可能会带来整个装备设计和制造的变革。
现在这个时代，我们这个创新可能显得是尤其的重要，科技显得是尤其的重要。你要说这个技术的影响，它未来的发展前景，在我看来是非常光明的。第一个事情，这个技术我认为它对材料的影响一定是变革性的，它有可能带来的是新一代的合金材料。第二个事情，我觉得它会影响的是装备的结构。一架飞机，自重可能从八十吨变成十吨，剩下你可能就是都是装油装货。它会真正变革装备，影响装备和装备的性能。这种技术的发展，不以人的意志为转移。第三个事情，我觉得它的影响会带来整个制造模式的变革。未来的装备一定会是个性化的，不可能像现在说，我去要研制一种装备，先开始样机做十年、做十五年，最后终于定型。现在信息技术发展这么快，可能你设计出来，等你搞完了早都落伍了。未来我可能就造两台装备，去完成这个使命之后，就再不做了。现在大数据云计算到了这个程度，模拟技术、仿真技术到这个程度，设计没问题。但是没有这样相应的制造技术来支撑，那还是一个梦。所以有这个技术之后，可能就会带来整个装备的设计和制造的一种变革吧。
今天我借这个机会，就希望各位听众，也可以关心这个技术的发展，我觉得它对未来是一个很重要的技术。
由中央电视台综合频道(CCTV-1)和唯众传媒联合制作的《开讲啦》是中国首档青年电视公开课,创办于2012年。每期节目由一位知名人士讲述自己的故事,节目邀请“中国青年心中的榜样”作为演讲嘉宾,分享他们对于生活和生命的感悟,给予中国青年现实的讨论和心灵的滋养,讨论青年们的人生问题,同时也在讨论青春中国的社会问题。
节目每期有六位来自全国各届的青年代表,向演讲嘉宾提问互动,300位大学生作为观众现场分享这场有思考、有疑问、有价值观、有锋芒的思想碰撞。他们对人生有思考,对未来有疑问,他们思想新锐,观点先锋,是中国未来的中坚力量。每期演讲嘉宾选择的主题,均为当下年轻人心中的问号,讲述青年最关心、最困惑的话题。这是中国最具青年公益的节目,千名青年学子,百回思想交锋,聆听思想的声音!
