王华明院士：《增材制造技术的发展及面临的挑战、问题》
作者：王华明（中国工程院院士，北京航空航天大学教授）
增材制造技术(也称3D打印技术)是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术。目前，增材制造使用的材料包含了金属、非金属、复合材料、生物材料甚至是活性细胞，成形使用的能量源包括激光、电子束、电弧等，成形尺寸从微纳米元器件到10 m以上大型航空结构件，为现代制造业的发展以及传统制造业的转型升级提供了巨大契机。
经过近40年的发展，增材制造技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景，是满足国家重大需求、支撑国民经济发展的“国之重器”，已成为世界先进制造领域发展最快、技术研究最活跃、关注度最高的学科方向之一。增材制造以其对设计创新的强力支撑正在颠覆高端装备的传统设计和制造途径，形成前所未有的创新解决方案。与欧美等国家相比，我国在增材制造基础理论、关键工艺技术以及高端装备等方面仍存在一定差距，如增材制造装备的高端核心元器件和工控软件部分还依赖进口，但在重大装备的大型承力结构件的增材制造技术及应用方面，以北航、西北工大为代表的金属增材制造技术领先世界，主要解决了以下几个方面的问题：
第一个挑战，首当其冲是增材制造的控形问题，成形过程中存在剧烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程，同时伴随着复杂的形变过程，长时间循环反复的极端高温和快速冷却给成形零件产生了非常大的热应力。零件越大，变形就越大，根据胡克定律，形变会产生应力，应力达到一定程度，超过材料本身能承受的拉力时将导致零件产生开裂或裂纹。因此，如何控制成形过程中的循环热应力，如何避免裂纹或开裂，是金属增材制造大型零件的首要难题。
第二个挑战是成形过程中的控性问题，控制凝固过程、固态相变，从而让零件不产生缺陷，让晶体尺寸、化学成分、晶粒取向可控，达到良好品质。这涉及材料、结构设计、工艺过程、热处理等诸多因素，增材制造过程的材料—工艺—组织—性能关系是金属增材制造最关键的技术。
第三个挑战是技术标准，这需要通过大量的应用研究来建立。技术标准是引领产业发展的基础，如何制定金属增材制造的行业标准，需要结合传统金属零件的性能要求，建立完善的增材制造专用材料、工艺和设备，以及产品的检测和评价规范等一系列的技术标准。
由于增材制造技术的发展历史较短，传统的基础理论往往还无法解释增材制造过程的物理、化学变化过程，需要从基础科学入手加强基础理论的研究，需要解决的科学问题主要有：
第一个人问题是金属成形中的强非平衡态凝固学。由于增材制造过程中的材料与能量源交互作用时间极短，瞬间实现熔化—凝固的循环过程，尤其是对于金属材料来说，这样的强非平衡态凝固学机理是传统平衡凝固学理论无法完全解释的，因此建立强非平衡态下的金属凝固学理论是增材制造领域需要解决的一个重要的科学问题。
第二问题是梯度材料、结构的增材制造机理。增材制造是结构功能一体化实现的制造技术，甚至可以实现在同一构件中材料组成梯度连续变化、多种结构有机结合，实现这样的设计对材料力学和结构力学提出了挑战。
作者介绍：
王华明：中国工程院院士，北京航空航天大学材料学院教授、博士生导师，大型金属构件增材制造国家工程实验室主任、国防科技工业激光增材制造技术研究应用中心主任、航空科学与技术国家实验室（筹）航空材料与结构首席科学家，教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者，教育部创新团队和科技部重点领域创新团队带头人、国防973项目首席、北京高校教学名师，入选首批国家“高层次人才特殊支持计划”科技创新领军人才、首批新世纪百千万人才工程国家级人选，获全国五一劳动奖章、航空报国金奖一等奖、何梁何利科学与技术进步奖和第四届国防科技工业杰出人才奖。王华明院士长期从事大型金属构件激光增材制造和激光表面工程技术研究，率先突破钛合金、超高强度钢等高性能难加工金属大型复杂整体关键构件激光增材制造工艺、成套装备、质量控制和工程应用关键技术，开拓机械装备严酷环境关键摩擦副零部件激光熔覆金属硅化物高温耐蚀耐磨特种涂层新领域，成果在飞机、导弹、卫星、航空发动机等装备研制和生产中工程应用。发表SCI收录论文180余篇，第一完成人获部级一等奖以上科技成果奖励4项，其中“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”成果获2012年度“国家技术发明一等奖”。
邀请老师演讲、授课请致电：19821197419 阎老师[微信同号]
免责声明：以上内容（包括文字、图片、视频）为用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。如涉及版权问题，请联系我们并提供版权证明，我们将立即删除！
