北京航空航天大學，是《超級裝備》拍攝之旅的第十站。11月17日，中國工程院院士，金屬激光增材制造技術專家，北航教授、大型金屬構件增材制造國家工程實驗室主任王華明先生接受了總導演韓晶的訪問。

Q：王院士您好！從事3D打印技術多年，您和團隊取得了令人矚目的成就。那么，您當年是如何與3D打印結下不解之緣的呢？

A：我在大學里學的是鑄造，金屬零部件的成形制造方法。進入3D打印這個領域，其實比較偶然。1989年我博士生畢業(yè)，來到中國科學院金屬研究所讀博士后，研究航空發(fā)動機渦輪葉片的制造技術。當時我采用了激光表面逐層熔化手段，對發(fā)動機葉片進行修復，結果發(fā)現(xiàn)，修復后的葉片，性能比原來的要好。因為激光熔凝，會使堆積上去的材料，在一瞬間達到很高的溫度，又瞬間冷卻，從液體變成固體。這樣，金屬內部的晶體就會變得非常細小，化學成分更均勻，零件的性能自然就更好。

當時我就想，如果運用激光熔凝技術，把金屬材料一層層疊加上去，那么制造出來的葉片，跟傳統(tǒng)方法制造的葉片相比，性能就會發(fā)生質的提升。但當時，我還沒有想到要去做3D打印。讀完博士后，我作為德國洪堡基金會“洪堡學者”去了德國，主要研究激光表面工程。如果一個零件要耐磨，我就用激光熔凝技術在它表面打印一層特殊的耐磨材料，這個零件就會變得非常耐磨，這就是激光表面工程。學鑄造，主要就是研究金屬的結晶，晶體生長，也就是凝固理論。后來去做金屬3D打印，只是換了一種手段，基礎還是原來的基礎。

Q：這是一個有趣的例子。早年學習的鑄造基礎理論，為您在日后在金屬3D打印這一塊打下了穩(wěn)固的基礎。然后在某個時刻，您突然發(fā)現(xiàn)可以用一種全新的方法來制造一些東西。這在當時可能只是靈光乍現(xiàn)，但后來，卻因此改變了一生。?

A：對。還有一個因素，我想和需求有關。飛機、航空發(fā)動機等高端裝備，一些大型關鍵結構件，用傳統(tǒng)方法去制造是非常困難的，代價也是巨大的。就像有些東西已經(jīng)快到“天花板”了，你想再進一步提高和突破，可能你付出的代價很大，但收益卻很小。所以有時候，換一種思路，一切就可能變得很簡單。我想，這可能就是我萌生用3D打印技術去制造大型金屬構件這個念頭的起因吧。

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Q：其實事物的發(fā)展都有著相似的規(guī)律，就像藝術的發(fā)展，西方古典繪畫走到十九世紀下半葉，也碰到了類似您說的“天花板”，想要突破非常困難，不得不尋求對傳統(tǒng)的反動和顛覆，所以像印象派、野獸派等現(xiàn)代主義繪畫就起來了。工業(yè)科技的發(fā)展規(guī)律也同樣，也有一個突破“天花板”的過程。那么與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印技術的最大優(yōu)勢是什么呢？

A：我著重談一下金屬3D打印吧，它的最大優(yōu)勢就是性能。隨著科技的進步，人們對裝備的要求越來越高，金屬材料的化學成分也越來越復雜，這就對金屬的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的金屬零件成型方法，是把各種合金元素通過爐子熔化成液態(tài)合金，然后澆鑄成固體鑄錠，再把它鍛造成零件毛坯。

這個方法的最大問題，就出在從液體變成固體的這個過程。因為合金元素有的很活潑，有的熔點很高，有的里面還有雜質，所以熔煉要用真空感應熔煉爐、真空電弧熔煉爐、真空電渣熔煉爐，保證熔煉出來的液態(tài)金屬化學成分是均勻和清潔的。然后，再把液態(tài)金屬澆鑄到鑄錠里，還要冷上好多天。從液體變成固體，是一個結晶的過程。液態(tài)金屬冷得慢，結晶出來的晶體就很粗，化學成分就不均勻，就會偏析。而且從液體變成固體會收縮，中間就像空心蘿卜，這樣的鑄件性能是不好的。唯一的補救辦法就是再拿去鍛造，通過鍛造把空心蘿卜壓實，把晶體打細，以保證它的性能。

現(xiàn)在全世界都知道，解決這個問題的方法，就是液體變成固體要冷得快，也就是快速凝固。這不僅是金屬材料學科的前沿，也是凝聚態(tài)物理的最前沿。為了解決這個問題，我們煉出兩噸的金屬液，用超音速氣流，把液體噴射霧化成像毛毛雨一樣的霧狀液滴，幾十個微米的小液滴，在高速冷卻氣流作用下，小液滴瞬間就凝固成固體了，而且化學成分穩(wěn)定，組織很細。再把這些粉末收集起來，先壓實，再通過加熱，把它們擴散連接固化在一起，航空發(fā)動機的渦輪盤就這樣做出來了。

用傳統(tǒng)方法，比如，你要往水里加油，你是加不進去的。再比如，你想把鎢元素加到鐵里面，鎢的熔點是三千多度，鐵的熔點只有一千多度，鎢的比重要比鐵重很多，你把鎢加到鐵里面，它就沉底，就熔化不了，這就是問題。但對于激光來說，不管你熔點多高，激光可以熔化任何材料，并且讓熔化后的液體以每秒一百萬度甚至更高的的冷卻速度結晶，實現(xiàn)快速凝固。這樣結晶出來的晶體組織非常細，化學成分非常均勻，性能非常好。

3D打印技術不僅能直接制造任意復雜的金屬構件，還可以控制晶體的大小和晶體生長的方向。如果往這個方向生長性能好，那我就往這個方向去生長。還可以根據(jù)零部件不同部位的使用要求，控制它的化學成分。比如零件的這個部位需要耐高溫，那我就用耐高溫材料去打印這個部位；零件的那個部位需要耐腐蝕，那我就用耐腐蝕材料去打印那個部位。這就是金屬3D打印的最大優(yōu)勢之一，對零件不同部位“量體裁衣”定制特殊性能。

Q：人們普遍認為，3D打印技術的優(yōu)勢在于節(jié)約時間和制造成本，而您剛才說的最大優(yōu)勢，是讓金屬材料在高溫下瞬間熔化并瞬間凝固，從而使零件的內部結構更細膩致密，性能更好。

A：是的，制造周期縮短和成本大幅降低，當然是3D打印的明顯優(yōu)勢。用傳統(tǒng)工藝制造大型關鍵金屬構件，要開模，要重型鍛壓機，要鍛造，開一套?？赡苄枰獛装偃f甚至上千萬，要花幾個月時間，一臺萬噸級鍛壓機造價可能是幾個億，而好不容易鍛造出來的零件毛坯，90%以上可能要被切削加工掉，材料浪費很大，制造周期很長，成本當然也很高?，F(xiàn)在通過3D打印，就無需開模，無需鍛造和切削，當然也無需大型工業(yè)母機了，打印出來的零件基本接近最終的零件形狀，省料，省工，省時。

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Q：您曾經(jīng)說過，看著自己的3D打印作品像小樹那樣一毫米一毫米地生長，是一個非常美妙的過程。能讓我們分享一下您的這種感受嗎？

A：在3D打印過程中看到零件一層層地長高，感覺確實很美妙，但這是因為打印大型金屬零件，技術難度太大了。因為3D打印是一層一層往上熔化凝固堆積的，每往上沉積一層，層與層之間，可能局部某些地方?jīng)]有熔合在一起。這個缺陷，對于零件的性能是非常致命的。如果你打印了一個有缺陷的飛機起落架，它就會成為整架飛機最致命的一個安全隱患！

打印的零件性能要好，激光燒熔的金屬粉末就必須迅速冷卻，瞬間凝固。但冷卻速度越快，意味著應力越大。就像一個人，正發(fā)著40度的高燒，你把他“咣”一下扔到冰水里，再從冰水里撈出來，然后再把他扔進去，可能幾下他就完蛋了。金屬也一樣，從一千多度瞬間冷卻到一百度，可能還不到一秒鐘的時間，并且這個零件要一層層堆積到幾百層甚至幾千層才能完成，最終它的應力會非常巨大，稍微做大一點，零件就翹了。有時候做一個零件，眼看就要成了，但是過大的應力，卻讓這件勝利在望的零件裂了。所以，只要是用快速熔化凝固的方法，打印大型金屬零件，控制內應力，防止打印過程中零件變形開裂，永遠都是一個難題。

人有時候做一件事情，不是說“十年磨一劍”，很可能是用一生時間，能解決一個問題就不錯了。就因為過程太艱辛，所以當你掌握了解決之道，看著零件像小樹那樣茁壯成長的時候，你才會感到美妙。

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Q：對于3D打印，人們似乎很愿意用一種生動形象的方式來描述它，有人說它像春蠶吐絲，燕子筑巢，而您說它像樹苗的生長。我想，一個人與某個事物相處久了，會跟它形成某種特殊的關系，您能描述一下您和3D打印之間的特殊關系嗎？

A：上大學時我學的是鑄造，鑄造的基礎理論就是金屬熔煉和凝固結晶。過去用爐子熔煉，現(xiàn)在用激光、電子束、等離子束等高能熱源去熔煉。過去是煉一大爐合金，幾噸、幾十噸，現(xiàn)在是煉很小的小熔池，幾克或者幾十克。過去大家都不愿意干鑄造，因為又臟又熱，所以上完本科后，我就不想再搞鑄造了，那就去搞金屬激光3D打印吧。但是后來我發(fā)現(xiàn)，它本質上還是金屬的熔煉和凝固，還是“鑄造”?；蛟S，這就是所謂的宿命吧！

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Q：人生的道路有千萬條，您選擇了金屬3D打印這條路，并且生逢其時，成績斐然。那么您認為，是您選擇了歷史，還是歷史選擇了您？

A：我覺得一方面是跟自己的經(jīng)歷有關吧。你學的專業(yè)，你的導師，你的團隊，其實有很多人會影響你的一生，影響你并決定你今后去干什么。另一方面，跟你成長的社會時代背景也有很大的關系。我們正處于國家從比較落后到奮起直追的歷史進程中，快速發(fā)展的國家，需要一些重大裝備制造技術的突破。通過3D打印技術，既解決了科學前沿問題，又實現(xiàn)了國家的重大裝備制造需求。我們現(xiàn)在常說彎道超車，就是說我們不在傳統(tǒng)路線上跟著你跑了，我們現(xiàn)在有了新方法，一下子就超車跑到你前面去了。我相信，一個人的命運一定是和國家命運聯(lián)系在一起的，再早20年，我可能沒有條件去干金屬3D打印這件事，再晚20年，我可能還是沒有機會去做這件事。

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Q：個人的抱負能與國家的發(fā)展、民族的復興連接在一起，實在是一種幸運。最后我想問的是，3D打印作為新生事物，有人說它將來有可能會取代傳統(tǒng)制造技術。對于這一點，您是怎么看的？

A：3D打印技術其實并不神秘，它是隨著人類科技的進步而出現(xiàn)的一種新技術。簡單來說，就是把復雜的三維構件制造，變成簡單的二維疊加制造。一個立體的零件，不管它有多復雜，你把它切成無數(shù)層二維薄片，那么每一片就是一個平面圖形。一個立體零件由無數(shù)個平面圖形疊加而成，相當于你一張紙一張紙往上摞，并粘結成三維復雜零件。

3D打印技術從上世紀八十年代產(chǎn)生，到現(xiàn)在已經(jīng)30多年了，全世界的產(chǎn)值加起來可能還不到一百億美元，也就是說，它現(xiàn)在的市場價值并不大。但是由于它的制造方式完全改變了，由計算機自動控制，代表了智能制造技術的未來發(fā)展方向，因此它的前途非常廣闊。

但這并不意味著，3D打印就能取代傳統(tǒng)制造技術。就像我們造一架飛機，肯定是采用了多種制造技術，3D打印只是其中的一種技術。它跟傳統(tǒng)制造技術，應該是一種互補的關系。如果我做一個結構簡單的金屬小零件，用傳統(tǒng)方法可能更便宜，更快，性能也很好，而用3D打印，可能又慢，成本又高，沒有任何優(yōu)勢。但如果制造重大裝備的大型復雜、高性能、關鍵性金屬零件，3D打印技術，無論在制造周期、產(chǎn)品性能、制造成本等方面，都具有傳統(tǒng)制造技術無可比擬的變革性優(yōu)勢。

所以我希望，人們在關注3D打印技術這個概念本身的同時，能夠更多地潛下心來做深入的研究，多解決一些影響3D打印潛力發(fā)揮的關鍵科學技術基礎問題。