中国3D激光成形技术反超美国，或将改变制造业格局，它有多重要？

　　#头条创作挑战赛#
　　C919上有一项让美国都羡慕的技术，它就是3D激光成形技术，用它来打造战斗机的零部件，重量可以减少40%，性能还能提升非常多，它也被称为人类第四次工业革命的关键技术。
　　在这项技术上，中国说第二，没人敢说第一。
　　美国商业公司和诸多顶尖的实验室多次尝试攻克这项技术，希望把它用在F22战斗机上，然而都失败了。
　　但就是这么牛的技术，不仅被我国给攻克了，而还把它用在在C919、运20、月球登录器，ARJ21飞机、甚至J20等重大设备上。
　　那么问题来了激光成形技术到底是啥，它是怎么被我们用在C919身上的，我们为啥能领先美国呢？今天咱们就来讲讲3D激光成形技术。
　　3D激光成形
　　技术名是3D打印技术中的一种，它的原型在1892年就诞生了，但是真正将它发扬光大是在1986年。
　　当时，美国人查尔斯.胡尔发明立体光刻技术，它可以利用光将材料催化，再打印出物品，所以胡尔也被称为＂3D打印之父＂。
　　同年，查尔斯胡尔就创立了全球第一家3D打印企业，3D Systems，并在两年后，推出了全球第一台商用打印机设备。
　　它的原理比较简单，有些小伙伴可能都玩过了，首先是通过计算机建模，在电脑上模拟出要打印的构造，然后做出相关的材料，3D打印机就能根据模型，在一层层平面上打印出立体的物品。
　　整个过程是不是很简单，简单到你压根不相信它可以用来打造C919和战斗机的零部件？实际上这就是它的可怕之处，因为简单，所以流程更精简，可以缩短制造时间。
　　谁只要能搞定3D打印机和原材料，那么就能打印出我们想要的任何东西，而且材料要是足够好的话，打印出的产品品质甚至会比传统制造还好。
　　1985年时，老美的国防部就偷偷研究这项技术，将一些钛合金等高性能的材料与3D打印技术相结合，并且尝试把它们应用到战斗机的零件上。
　　不过它们与胡尔发明的立体光刻印刷不同，而是用激光将钛合金的金属粉末进行加温熔化，再由3D打印设备打印成形，冷却后就制成了飞机的零部件，极大提高了速度和成功率，这项技术也被叫做3D激光粉末成形技术。
　　1992年，老美国防部对外公布了此项研究，3D激光成形技术立刻引起世界各国的注意，因为在航空领域，飞机奉行的是＂一代飞机，一代材料＂，这是因为随着航空发展，飞机的零部件越来越复杂。
　　但是为了提升性能，飞机反而要减重，而想要减重，就需要从材料和制造工艺上出发，
　　而钛合金和3D激光成形就可以完美替代传统的 工艺。
　　钛合金性能非常优秀，钛元素的密度与钢差不多，强度却比钢高得多，而且质量却更轻，用它造出来的零部件硬度高、又轻性能又好。
　　但是它也有一个致命缺点就是非常难加工，失败率也比较高。
　　而3D激光成形则弥补了这个缺陷，激光超高的温度可以融化钛金属，减少了中间环节，不仅速度和效率大大提高，甚至连性能也跟着提升了，所以各国都在积极研究这项技术。
　　2002年，美军率先突破，他们在战机上装载了激光成形的小型钛合金零部件，打造出性能优异的战斗机。
　　于是3D打印技术成为各国的研究重点，2011年，3D打印技术再次震惊全球。
　　英国两位科学家利用3D打印技术在2天的时间内，造出一台无人机＂SULSA＂，在这台无人机上，除了马达外，机翼、机身、舱门等等部位都是打印出来的，制造效率比传统方法高出数倍。
　　后来英国著名的《经济学人》根据投入产出比模型，推测出3D打印技术将推动新一轮工业革命，事实也确实如他们猜想的那样，3D打印技术在民间和军事领域受到了非常大欢迎。
　　欧盟在2004年组建了欧洲3D打印技术平台，力图对3D技术的产业路线，3D打印计划方针等领域进行引导。
　　英国也在2007年推出了本土3D打印发展的政策，计划在07年到16年中间投入9500万英镑进行项目研究。
　　中国则相对晚了很多，我们也是在1995后，开始注意到3D打印技术，并且开始研究的，但是我们重视得更晚一点，我们在2015年才将几种3D打印技术列为重点发展项目，
　　在许多国家的努力下，3D打印技术的分支越来越多，除了立体印刷和激光粉末成形外，3D打印技术还有分层实体、光固化成形、熔融沉积等技术方向，不过3D激光成形技术依然是3D打印机中难度系数最高，潜力最大的一个。
　　并且3D激光打印从以前的小零件，逐渐过度到飞机的大型部件研发，然而在大型部件上，就有很多国家碰壁了，其中就包括美国。美国也征服不了的技术：3D激光大型复杂构件成形技术
　　2000年后，美国有很多企业和国家实验室，都对3D激光大型钛合金技术进行攻关，结果很多企业都失败了。
　　其中还包括美国著名的激光商业公司Aeromet，它们投入重金研发激光钛合金技术，结果因为迟迟无法攻克技术，造成资金链断裂，最后走到破产的地步。
　　2012年后，老美国防部依旧不死心，他们和激光研发企业共同投资7500万美元，建立了国家增材制造研究院，再次向3D激光大型构建成形发起挑战，可惜3D打印出来的钛合金金属部件应力不足，宣告失败，至今十年过去了，老美研发的钛合金，依旧无法满足战机的质量标准。
　　但是让他们没想到的是，卡住他们十年之久的3D激光成形技术，却被中国给打破了，我国在2009年时，就用激光粉末成形技术打印出C919主挡风整体窗框，这项技术还获得了2013年国家技术发明一等奖。
　　英国《经济学人》当年就用＂万里长城的新砖瓦＂，来形容我国的这项技术，时至今日，我们已经将这项技术应用在多个C919部位，以及其他航天军事上面，甚至在J20上都有。
　　那么问题来了，中国3D激光打印发展的比老美晚，它是怎么实现反超的呢？中国3D激光成形技术的逆天史
　　这里就不得不说C919大飞机以及王华明和黄卫东两位科学家了。
　　王华明院士是我国工程院院士，被称为中国3D激光打印技术带头人。
　　他第一次接触3D激光是在1989年，当时他还在中科院攻读博士后，其中一项工作和研究内容就是用激光技术修复发动机叶片，然后他发现修复后的叶片比原来还要好，感到很惊讶。
　　因为一样金属设备损坏了，它就会有裂纹，里面的金属晶体裂缝很难修复到原来样子，而激光温度的非常高，可以瞬间让材料达到高温，然后又瞬间冷却下来，这样金属内部的晶体就会非常细小，化学成分和性能都会更好。
　　当时他就想，如果用它来制造发动机的叶片，那性能一定会提升很大，所以他就产生深度学习这项技术的动力，1992年，王华明赴德国纽伦堡大学从事与激光材料的相关研究，但是他最后没有选择留德，2年后，他就回到中国参与航天的教学和科研工作。
　　1995年，他破格成为航天大学的教授，次年他就被评为博士生导师，毫无疑问，在激光成形技术上，他是天才级的人物，而且这个天才还一心想要报国。
　　恰好当时，中国已经成长为工业大国，但是在高尖端装备上还比较落后，需要在一些重大装备的制造技术上实现突破，比如飞机、航空发动机，航天材料等等，所以王华明院士就希望用自己的3D激光成形技术为制造大型的承力构建。
　　2000年，他开始带领团队向这个领域进军，但过程就像是万里长征一样，到处充满艰难险阻，没有设备就自己造，没有技术标准就自己建立，打印失败了就重新再来，从一个个问题上找答案。
　　3D打印有时候需要很久的时间，早期的设备又很落后打印的非常慢，而且越大型，需要的时间越多，所以为了攻克技术难关，他们团队分成两班，几乎每一班的工作时长，常年保持在每天12小时的状态。
　　有时候全年都没有休息，上夜班的同事可能好几年都见不到太阳，最关键的时候，可能除夕夜都得坚守岗位，包括王华明本人也是。
　　有一年春节的除夕夜时，他们的试验到了关键时刻，结果就遇到了一个意外，他心急如焚，一直在办公室研究如何解决，直到他家人打电话叫了很多遍，他才匆匆忙忙赶回家吃团圆饭，第二天一大早又赶往实验室。
　　就这样，他们一点点攻克困难，最终在2005年时，实现了3D激光成形技术。
　　但是这还没完，王华明院士的厉害之处不仅仅在于科研，还在于能够将科研转化成实际的量产成果，他们自己收集资料，制定量产的标准，将它转化一种能够真正推广的技术。
　　有一次他们为中国的一款火箭打印四个零部件，结果这四个部件就减轻了火箭整整400斤的重量，减少的这些重量可以节省燃料成本，也可以都换成燃料增加火箭的射程，极大提高了火箭的性能。
　　于是这项高性能、低成本、短周期的技术，就成为我国航空航天和国防等领域非常重要的应用，由3D激光打印的钛合金零部件，迅速装备到中国各个航空飞行器上，歼-15、运-20、歼-11B、歼-31甚至歼20，都有用到。
　　可以说他一个团队，就提升了中国航空整体的国防质量，妥妥的科研利器，但是这还没完，拿下3D激光成形技术后，他又将目标瞄向世界难题，用3D打印机，打造飞机的大型整体构件。
　　恰好2007年时，我国C919大飞机立项，也非常需要新型技术来打造大型承力部件。
　　C919大飞机长有38.9米，宽35.8米，注定它的主要＂骨架＂非常大，要制造出这样的关键部件，用传统的铸造方法，是非常非常难的，它不仅需要非常大的模具，而且成本也很高，而我们在这方面还是比较薄弱的。
　　所以就需要3D激光大型构建成形技术，它不需要模具，可以快速、低成本制造出需要的构件。
　　于是国内几个顶尖的3D打印团队，临危受命，为C919打造大型构件，王华明团队接到的任务，就是难度非常高的大型主承力部件-主风挡整体窗框。
　　C919的机头总共有4个尺寸大，形状复杂的窗框，在飞行的过程中将承受很大的阻力，在那时，国内厂家根本没办法做，只有欧洲的一家公司能做。
　　不过它们的收费却很高，单单一个窗框的模具费就要50万美元，4个加起来就是200万美元，换算过来相当于上千万人民币，而且钱要到账才能做，时间也要等2年才能交货，C919根本等不起。
　　所以王华明团队能否攻克这项任务就成了关键。
　　这项任务难度非常大，毕竟美国集合整个国家的实力，花费了无数的资金也没能攻破，主要原因就是容易变形和开裂，就像我们小时候捏泥巴一样，小块的泥土想怎么捏就怎么捏，大一点的形状就很难保持，不是变形就是裂开了，而且部件尺寸越大，越容易形变开裂。
　　3D激光打印钛合金部件也是如此，小型零部件很容易搞定，稍微大一点的就会出现变形，美国连F22战斗机的承力部件都没攻克。
　　他们将整个部件拆分成三个小的钛合金铸件，然后再拼接在一起，性能和耐疲劳度都弱了很多，像C919这么大的，难度就更高了。
　　可想而知王华明院士当时面临的困难和压力有多大，但是他依然只用4年时间，就攻克了技术难题，
　　他们研制的构件产品也从150 毫米提升到5 平方米，追平世界上最大的锻造机能生产出来的产品，攻克了美国至今都没解决的问题。
　　2009年时，王华明团队仅仅用了55天时间，就打印出了C919钛合金主风挡整体窗框，成本还不到20万美元，相当于是当初欧洲企业开模具费用的十分之一，节省了90%以上的成本，此后王华明又用同样的技术打印出了中央翼部一号肋钛合金上下缘条，前后三叉接头等大型复杂的钛合金关键构件。
　　尤其是钛合金的中央翼缘条性能非常优越，它的重量只有136公斤，而传统的铸件毛坯要1600 公斤，实现了巨大的减重特性，而且这项技术同样具备量产推广的能力。
　　也就是说，不仅C919可以用，我们的J-20、运20，我们的长征火箭，我们的各个航天器都可以用，中国在钛合金材料的应用上，也借此跃居世界前列。
　　2012年，王华明的团队获得了国家科技一等奖。
　　王华明获奖，震惊整个3D激光成形技术领域，被美国英国广泛报道，当年老美的总统奥巴马就砸下近10亿美元，集合全国科研力量攻关这项技术，然后结果大家都知道，至今还达不到我们的技术水平。
　　取得这么大成就的王华明院士并没有感到自满，2013年之后，他的团队打印出的钛合金零件已经能超过16平方米的投影面积了，保持着世界领先水平，
　　所以也有人说：中国3D激光成形技术领先老美10年。而这样的技术正是C919给予的支持，
　　但这还不是中国3D激光打印技术的最牛批之处，它的最大作用就是可以让我们在高端制造业领域实现弯道超车，解决卡脖子的问题。
　　3D激光打印有多牛：具备弯道超车的能力
　　在我们很多落后的领域，不是没有技术，而是造不出生产设备，比如光刻机，比如大型锻造机，比如OLED生产线。
　　这些设备要么精度要求高，要么技术要求强，中国想要突破非常困难，3D激光打印技术，恰恰可以绕过这些限制，不仅不需要模具，连制造的装备也不需要。
　　以大飞机里的锻造机为例，世界上最大的锻造机可以生产出4.5平米的部件，但是造价高达20亿元，而我国也只有一台，妥妥的属于被卡脖子的领域。
　　中国C919为什么下定决心用3D激光打印钛合金，原因就有这个，用它容易，但是想要随心所欲低成本量产，一定很难。
　　而3D激光打印技术，完全不需要这个设备，直接打印，不仅跳过装备，而且打印出来的零件成本更低，也更加节省材料。
　　以锻造的钛合金零件为例，除了要用万吨级的水压机浇筑铸件外，它还需要后续加工，最终只会留下10%的材料成形，相当于有90%的材料，被浪费掉了，而3D打印技术，虽然在直接打印之后也需要处理，但是只会损失5%耗材。
　　这就是跨越式碾压，中国以前很多被卡脖子的领域，都可以用3D打印技术来实现真正的弯道超车。
　　所以中国一直在想办法将3D激光打印技术和设备商业化，将它推广到民用市场，而这不得不说3D激光打印技术的另外一个代表人物：黄卫东。
　　他和王华明一样，都是通过C919项目迅速成长起来的。
　　黄卫东的履历和王华明一样＂豪华＂，他是国家重点实验室主任，国家科技部3D打印专家组首席专家，国家智能制造重大工程项目专家组成员。
　　他撰写的《激光立体成形 》是中国3D激光打印技术的权威书籍，
　　他研发3D激光成形技术的时间更早，在2001年，就已经申请激光打印的专利，是中国首批拥有这项技术的团队领导者，他一直致力于将3D激光打印技术发扬光大。
　　2007年，他的团队研发出国内第一台商用金属打印设备，并且成功售卖出去，在他的努力下，以前售价上千万的3D打印设备价格下降了数倍。
　　除此之外，他和王华明一样，也长期为中国航空航天设备制造各种零部件。
　　2011年，中国商飞的副总设计师周良道希望C919能采用更多的钛合金技术，所以就去西北工业大学参观黄卫东的3D激光打印实验室，然后被他们的技术给惊艳到了，两者成立了联合工作组，重点攻关技术难题。
　　同年黄卫东成立了铂力特公司，组建了3D激光打印技术产学研的团队，仅仅用一年时间，黄卫东就攻克中央翼缘条的技术难关。
　　此后黄卫东的铂力特就与中国商飞，中航集团等200多家单位合作，制造了数万件金属零件，参与了很多先进的诸如火箭卫星、发动机等30多个重大科研项目，成果丰硕，甚至连空客都成为它们的客户。
　　时至今日，铂力特已经完成了全产业链的搭建，从设备、到材料，再到产品的链条，逐渐完成国产替代，成为我国国防领域不可或缺的存在，而下一步它们瞄准的就是，我们的民用领域。
　　3D激光成形技术是3D打印技术的最高形态，它被誉为工业革命的旗帜是有道理的，而
　　像王华明和黄卫东这样的中国科学家们，则带领着我们整个行业快速前进，更难能可贵的是，他们还教导出了，非常多相关专业的硕士和博士，让我们不仅拥有技术和产业化的优势，还搭建出3D产业的人才储备梯队。
　　在可以预见的未来，我们3D激光成形技术将会成为各行各业一个革命性的存在，而这样的技术都是C919和它背后的团队支撑着走下来的。
　　网上有那些多人说C919没有核心技术，C919没啥用浪费资源啥的，其实说白了，就是燕雀安知鸿鹄之志，见识浅薄，才能还停留在我们技术落后的刻板印象，更不懂大型项目对于科技的促进作用。
　　当然，看到这边大家应该理解了，如果你也觉得有道理，记得点赞加关注支持哈。
　　好了，我是熊猫，我们下期见！