揭秘我國金屬3D打印技術：0.5公斤鈦合金零件撐起400公斤重量

■0.5公斤零件撐起400公斤重量 中國航天器試水3D打印

為了突破西方對于中國的核心技術封鎖，中國的企業家、科學家大膽實踐、勇于創新，不僅是造出了被西方國家壟斷的錸（lái）金屬核心部件，還創造出了新的金屬制造方式。2017年9月20日，世界*的金屬3D打印設備制造商德國斯棱曼公司（SLM Solutions）與一家中國公司簽下了合作協議，與一家中國公司成立聯合應用研發中心，將展開針對中國市場的應用研發。

金屬材料的3D打印技術門檻高，難度大，附加值高，金屬3D打印的產值也占到了整個3D打印行業的80%以上。在金屬3D打印方面，西方國家的技術也長期*于中國。而如今，金屬3D打印正在越來越多地出現在中國制造的高端裝備上，這讓世界*的企業，也注意到了中國企業在這個方面取得的創新和成就。

中國航天科技集團五院的展廳，濃縮了中國空間飛行器研制的主要成果，這些航天器對于減少重量的要求，可謂是嚴苛之極，因為每增加一克的重量，就會給發射帶來很高的成本，并且會加大航天項目的復雜性，甚至直接影響到整個方案的可行性。為了減輕每一克的重量，研究人員從材料和結構上想了任何可能的辦法。

中國航天科技集團五院總體部增材制造技術項目經理張嘯雨說：這個就是我們目前工程上*輕的材料，叫蜂窩夾層結構，這種結構里面全部是蜂窩，然后上下的面用的是碳纖維。這種碳纖維非常昂貴，它的一公斤差不多要比那個同等重量的黃金還要貴一些。減輕重量是不懈的追求。碳纖維材料，加之蜂窩狀的結構，這幾乎已經達到了減重的極限，但是工程技術人員對此還是不滿意，他們希望重量再降低一些。可是，如何才能實現新的突破呢？

位于北京市昌平區的一間廠房，正在生產著鈦合金、鋁合金、不銹鋼等多種金屬的零部件。但是與其它的冶金廠房不同，在這里，記者看不到金屬鍛造的大型設備，也看不到很多的技術工人操作，只看見一臺臺3D打印的機器在忙碌地工作著。這個金屬打印技術叫激光選區熔化，使用激光照射預先鋪展好的金屬粉末，使其成形固定。經過兩天時間，制造過程終于接近尾聲，技術人員小心翼翼地將“打印機”中多余的粉末掃去，一個結構非常復雜和精巧的鈦金屬立方體顯現出來。

鑫精合激光科技發展有限公司副總經理孫峰說：鈦合金在我們冶金行業，是一種非常難成形的一種材料牌號，它的冶金工藝非常的復雜，通過我們這次3D打印工藝，把這么難做的一個鈦合金，通過我們3D打印工藝，呈現出這樣一個輕量化的結構來。

在制造業中，傳統制造的方式是“減材制造”，它是利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、減少，*終成為所需要的零件。而3D打印則恰恰相反，它是根據一個數字三維文件，在一個完全沒有任何材料的平面上，一點點逐層打印、添加材料，*終形成一個三維整體，這就是所謂的3D打印，也被稱為“增材制造”。

這樣一個邊長20厘米左右的立方體，如果用傳統的金屬鑄造工藝制造，重量至少要在5公斤以上，而這個零件的重量卻只有0.5公斤，只有以前的十分之一，大大減輕了重量，卻具備高強度。孫峰現場給我們做了一個演示。將近100公斤的孫峰，整個人站在這個立方體上都沒有問題，孫峰告訴我們，它*大的承受力在300到400公斤，那可能是800倍到1000倍的載荷。

目前，在我國很多飛機、船舶甚至航天器的重要零部件上，都可以見到金屬3D打印的身影。無論是飛機、船舶的發動機、零部件，還是運載火箭、空間航天飛行器、無人機等航空航天設備，金屬3D打印部件正在悄悄地取代著傳統制造的零件，并給航空航天等高端制造提供了更多的可能。航天器上很多大大小小的零件，都可以用這種結構來替代原有的較為笨重的金屬。甚至一根頭發絲，就可以吊起來一個體積不小的衛星上的小零件。

孫峰說：它的輕量化效果非常的好，整個零件它的減重達到了30%以上，它給咱們整個火箭發射這一塊，成本節約了幾百萬，甚至上千萬人民幣的一個效果。我們傳統制造業來說，制造一顆衛星它可能需要幾個月甚至幾年的時間，通過我們3D打印工藝實現整個衛星的機構，可能只需要十幾天的時間，一顆小的衛星可以打出來。

3D打印作為一項前沿性的先進制造技術，已經成為全球新一輪科技革命和產業革命的重要推動力。 然而，多數的設備和工藝尚不成熟，還無法批量打出穩定、耐用、高性能的工業品來，處在“模型制造”和實驗階段。但是這種情況正在發生變化，我國的金屬3D打印正在不斷地向*制造靠攏。

在鑫精合的廠房里，一個大型的鈦合金航天器零件，即將在這臺由中國民營企業自主研發的大型金屬3D打印機里誕生。與小型的精密的金屬3D打印機的技術不同，大型的打印機采取了另一種不同的技術方式——同軸送粉工藝。而中國在這項技術上已經走在了世界的先列。目前，能用3D打印技術制造出達到鍛造水平的金屬部件的國家，只有德國、美國、中國等少數幾個。而鑫精合批量制造大型鈦金屬結構件的能力已經在國際*。這種激光“打印”金屬粉末的工藝，使得金屬材料冷卻凝固速度極快，組織細小，力學性能優異，也具備了像鍛件一樣的高強度。

直徑4米的航天器部件拆分成6個2米左右的大零件，3D打印并加工后，再進行整體焊接。在過去，這樣巨大的金屬件從開模具到鍛造，再到機械加工，是個非常浩大的工程，通常需要一年時間才能完成，而用3D打印的方式，僅需要3-6個月。張嘯雨說：可能我們*快的在明年，或者是后年都會有發射的型號來去做這樣的一個嘗試。我們大概現在有60件到100件的產品已經是在完成了制造，而且已經開始裝星，已經開始做整星級的力學實驗。

 

 

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