在無氧密閉腔內(nèi)，四根噴頭噴出金屬粉末，經(jīng)高溫激光作用瞬間熔化，在噴頭的數(shù)控移動下，金屬層層堆積生長，只需要數(shù)十個小時，一個面積達(dá)16平方米的復(fù)雜形狀大型鈦合金構(gòu)件就能高效成型。
這是發(fā)生在北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室成果產(chǎn)業(yè)化基地——北京煜鼎增材制造研究院股份有限公司（以下簡稱“煜鼎增材”）車間里的真實一幕?！敖饘?D打印技術(shù)僅用一臺高性能計算機(jī)、一組高精度激光頭、一個大型金屬構(gòu)件增材制造數(shù)控機(jī)械平臺，就能完成飛機(jī)、發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重大工業(yè)裝備大型復(fù)雜關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)的快速生產(chǎn)。”煜鼎增材相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者。
金屬激光增材制造技術(shù)（俗稱金屬3D打印技術(shù)）的核心在于，通過計算機(jī)控制激光逐層掃描，熔化同步輸送的合金粉末或絲材，層層堆積生長出三維復(fù)雜構(gòu)件，從而制造出形狀各異的高質(zhì)量金屬零部件?；诮饘?D打印高溫熔化和結(jié)晶過程智能控制，“傳統(tǒng)鑄造鍛造技術(shù)難以突破加工尺寸上的限制”“成分復(fù)雜的金屬材料大型構(gòu)件難以保證成分質(zhì)地均勻”等問題有了新的解決之路。
“以大型飛機(jī)機(jī)身鈦合金大型承力框為例，最大零件外廓面積往往超過10平方米。采用傳統(tǒng)的冶金鑄鍛技術(shù)，哪怕是壓力達(dá)到8萬噸級的超大鍛造機(jī)也沒辦法直接加工，只能分成多個小型部分，加工完再拼接。而金屬3D打印則可以直接增材成型，讓零件數(shù)量大幅減少，結(jié)構(gòu)重量顯著減輕，強度尤其是韌性大幅提升，材料消耗和加工時間減少80%?！鄙鲜鲐?fù)責(zé)人表示。
實際上，金屬3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，不僅僅是制造工藝的一次革新，更是對傳統(tǒng)制造理念的一次顛覆。
中國工程院院士、北京航空航天大學(xué)教授、大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室主任王華明表示，通過精確控制激光熔化金屬粉末的每一層，金屬3D打印技術(shù)實現(xiàn)了對材料微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的精確調(diào)控。這一技術(shù)不僅可以在應(yīng)用上實現(xiàn)更高效更具性價比的制造工藝，同時，通過對粉末直接熔化加工，還能夠克服傳統(tǒng)上新型合金冶煉時成分難以均勻分布的問題。這樣不僅能保證大型金屬構(gòu)件獲得晶粒細(xì)小、組織致密、成分均勻的內(nèi)部品質(zhì)，性能得到質(zhì)的提升，而且還能利用激光熔化過程中極高的溫度和結(jié)晶條件研發(fā)出化學(xué)成分全新的金屬結(jié)構(gòu)新材料。
“如果說傳統(tǒng)冶金是一鍋各種成分混雜而不均勻的‘亂燉’，那么3D打印就像‘超高速精細(xì)磨漿機(jī)’，可以獲得成分完全均勻、質(zhì)地非常致密的‘均質(zhì)漿體’。對于逐漸面臨工藝極限但性能要求卻越來越高的金屬材料制備，3D打印有望帶來新的突破?！蓖跞A明說。
金屬3D打印技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅提升了我國在高端制造領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，也展示了我國在新材料、新工藝研發(fā)上的實力。
“通過‘產(chǎn)學(xué)研’緊密結(jié)合和長期努力，我國在國際上率先突破了航空航天重大裝備高性能大型關(guān)鍵構(gòu)件金屬3D打印及工程化應(yīng)用等核心關(guān)鍵技術(shù)。更重要的是，3D打印為重大裝備金屬結(jié)構(gòu)新材料和高性能大型構(gòu)件的高效綠色低成本生產(chǎn)制造開辟了新途徑，是真正意義上的新質(zhì)生產(chǎn)力?！蓖跞A明說。
展望未來，3D打印技術(shù)還有更廣的增長空間。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2024年中國3D打印行業(yè)全景圖譜》顯示，隨著3D打印產(chǎn)品在已有場景中的應(yīng)用規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)張，以及新場景、新應(yīng)用的不斷開拓，預(yù)計未來六年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模將持續(xù)高速增長。預(yù)計2029年中國3D打印設(shè)備的市場規(guī)模將超1200億元，2024年至2029年復(fù)合年均增長率約為19.5%。
“中國在3D打印技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先并不是巧合。”國投創(chuàng)合基金管理有限公司副總經(jīng)理、首席投資官董川在談到對3D打印賽道以及煜鼎增材的投資背景時表示，正是中國深厚的制造業(yè)基礎(chǔ)為3D打印的應(yīng)用迭代提供了充足的發(fā)揮空間，新技術(shù)才得以成功從實驗室走向產(chǎn)業(yè)。這項技術(shù)不僅能夠提升產(chǎn)品的制造效率和性能，還能助推制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，為國家的高端裝備制造業(yè)提供強有力的支撐。
