【專訪】曾克里：打破金屬3D打印粉末90%進口的局面
“從1980年運-10飛上天到今年C919成功首飛，中斷了37年的中國大飛機夢終于實現(xiàn)了！”在《3D打印世界》采訪廣東省材料與加工研究所（以下簡稱“廣東省材料與加工研究所”）曾克里副所長的期間，舉國上下都沉浸在大型客機C919成功首飛帶來的喜悅與自豪的氛圍中，國產大飛機失落的這37年正好契合了曾克里進入中南大學接觸粉末冶金開始，延續(xù)到今天從未間斷的粉末研究生涯。
在37年里，曾克里曾投身于航空發(fā)動機用熱噴涂材料研究，并以更優(yōu)的質量將當年俄羅斯人的傲慢壟斷拒在北門之外，這些經歷使曾克里一直信奉“只要用心，在技術上一定可以做到國產化”，今天C919的成功試飛也更加驗證了這一點。而面對我國90%的金屬3D打印粉末來源于進口的局面，曾克里依舊相信，國產化我們能行！
成事在人 順利打響第一單
廣東省材料與加工研究所是國內能批量供應3D打印鎳基粉末的單位之一，而在前幾年，不單是金屬粉末專家曾克里，對整個國內的粉末行業(yè)來說，研制專用于3D打印的金屬粉末都是一個陌生的領域。2015年，曾克里得知其師兄所在的某快速制造科技有限責任公司在國內尋找一批用于3D打印的金屬粉末，但國內制粉商要么響應不積極，要么質量不過關，始終無果，對3D打印還不甚了解的曾克里仔細查找資料后立刻察覺這是一個很重要的發(fā)展趨勢，當即拍板接下這個單子。
這個決定不是空穴來風，除卻幾十年自身積累的“內功”，曾克里還有一個有利的條件——2014年在工信部一個項目的支持下，廣東省材料與加工研究所投資建設了當時國產高水平的200kg級的真空霧化設備，用于制作鎳基、鈷基等高端涂層材料。
往往看似天時地利人和的事情做起來卻會出現(xiàn)很多不可預料的意外。
首先是設備剛調試完非常不穩(wěn)定，剛做完第一批粉末，設備就出現(xiàn)了問題，曾克里回憶道，“如果等著設備供應商派人來修最快也是三天之后，等他們修好可能十天半個月就過去了，交貨時間根本耽擱不起”。當時在所有人覺得這個項目不可能完成的情況下，作為項目領導人的曾克里卻頂著壓力依舊堅持要做，并且還要如期保質保量交貨，最終在他的堅持下，研究所依靠自己的力量將設備維修好。
接下來該和時間賽跑了，卻遇上了堪比春運的十一國慶節(jié)。為了在時間節(jié)點完成任務，位于華東的客戶一邊打印一邊在等著廣州分批送過去的金屬粉末，“那時候貨運都停了，我們白天將材料做好，晚上送上大巴車，早上到華東之后要那邊相熟的朋友去接車，然后親自送到客戶手里”。回憶起那段大家一起拼搏的歲月，曾克里印象最深的是包括自己在內的研究所里的技術人員工人們兩天三夜沒合眼地維護著設備的穩(wěn)定和生產的正常。
“在處理科研的過程中，需要大家齊心協(xié)力，各方緊密配合才能將事情做好”，曾克里這么多年搞科研項目得出來的結論又一次得到了驗證。
最終，客戶的第一單420公斤金屬粉末的訂單，在曾克里的領導下，第一次實際接觸3D打印的廣東省材料與加工研究所克服重重困難，花了大概一個月的時間圓滿完成了任務，雖然一個月420公斤金屬粉末的生產能力在客戶看來還存在一定的差距，但是粉末的質量卻得到了極大的肯定。“420公斤的粉末我們分6批送到客戶，每批都復驗，6批的檢測結果顯示，粉末的粒度范圍控制得相當好，平均粒度相差不到一個微米，這是相當不容易的。”得到客戶滿意的反饋，曾克里更加有信心將3D打印金屬粉末做下去了。
420公斤的金屬粉末對廣東省材料與加工研究所來說這是一個極具歷史意義的訂單，首先是對大批量3D打印金屬粉末供貨能力的考驗，同時在這一次與客戶的相互溝通過程中，將3D打印粉末的技術規(guī)范定下來了，為后續(xù)廣東省材料與加工研究所越發(fā)成熟的3D打印制粉技術打下了堅實的基礎。
國產粉末質量不輸進口，為何受制？
目前我國3D打印用金屬粉末90%來源于進口，是國產粉末的質量不如進口嗎？深諳粉末技術之道的曾克里卻并不這么認為。
據(jù)他研究，金屬粉末的打印質量并不是由多數(shù)粉末廠商主打的球形度決定的。目前的主流3D打印技術多以激光或電子束為能量，在高能束將金屬粉末熔化的瞬間也會產生氣化，球形度并非越好打印的質量就越好，“這一點我們在研究進口設備隨機配套的粉末得到了驗證，他們的粉末是氣霧化生產的，但是打印效果卻很好。”吃透了影響3D打印質量的關鍵點，曾克里肯定，在制粉技術上我們不存在問題，我們的粉末質量絲毫不亞于進口粉末。
那么國產粉末的問題出在哪里？
曾克里認為，首先，與國外已經成熟的產業(yè)鏈相比，我國最關鍵的原因是還沒有一個成規(guī)模的廠家專門做3D打印金屬粉末；其次，沒有穩(wěn)定的訂單量，只有生產量穩(wěn)定之后，產品才能穩(wěn)定，才有可能形成一些產品標準。目前國內的一些3D打印金屬粉末廠家多數(shù)都是用單套設備兼做多種粉末，這樣容易造成交叉污染，嚴重影響粉末的質量。
“所以我們希望成為一個穩(wěn)定的、系列化專業(yè)3D打印金屬粉末的供應商，做成一定的規(guī)模后才能獲得更多的訂單”，曾克里表示。
為了達到這個目標，目前廣東省材料與加工研究所進口了一臺烏克蘭的旋轉電極霧化設備（PREP），在已有的鈷基、鎳基為主的基礎上增加鈦合金粉末。這臺烏克蘭的設備電極旋轉速度達25000轉/分，是什么樣的水平呢？曾克里表示國內大部分電極旋轉在18000轉，25000轉可以讓粉末的粒度達到較為理想的狀態(tài)，提高3D打印粉末的成粉率。另外，已從加拿大進口一臺射頻等離子球化設備。研究所已邁出了第一步，初步建成了齊全的試驗設備，將金屬粉末的種類系列化。
而下一步就是完成產業(yè)化的目標。2015年6月28日，新的廣東省科學院成立，各個研究所獲得了更大的自主經營權，其任務就是將技術進行成果轉化，更好地服務于廣東省各個產業(yè)。
因此，廣東省材料與加工研究所已經在籌備成立公司，將產品推向市場真正實踐習近平總書記的期望——“將論文寫在祖國的大地上”。
據(jù)了解，廣東的一家3D打印設備的制造公司也作為公司的重要股東，參與進來。
目前產業(yè)投資、政府基金、金融投資都已到位，萬事具備，但曾克里依舊持謹慎態(tài)度，“對金屬3D打印仍然需要有耐心，我們已經做好準備在等待它的爆發(fā)點”。
金屬3D打印發(fā)展趨勢
“金屬3D打印未來的發(fā)展前景很大”，這一點在曾克里看來是毋庸置疑的，他將目前的3D打印分為以下幾種：
一、外觀件或縮比展示件，僅具有展示功能，不具備實際運行功能；
二、非承力件，例如仿古的酒樽和金屬首飾，能用但不承力；
三、弱承力件，例如醫(yī)療上應用的金屬植入物，醫(yī)療夾板等；
四、次承力件，指承受力量不是特別大，但又承力的部件。例如塑料模具、鋁合金壓鑄模。另外在飛機上使用的3D打印艙門、座椅，不屬于飛機最關鍵的受力部位；
五、主承力件，又分為兩種定義：a、在使用過程中承受的力量特別大，例如飛機的起落架；b、在使用過程中不管承力大小都非常關鍵的部件，例如飛機發(fā)動機中全部的部件都屬于主承力件，也叫做關鍵部位件。
前四種類型的件金屬3D打印目前都已進入實質性的使用階段，而主承力件在我國基本還處于驗證階段。金屬3D打印要想鋪向更廣的應用，曾克里從技術的角度提出了幾個解決方案。
首先，強度問題，目前3D打印的強度處于鑄件和鍛件之間，如果3D打印的強度超過鍛件，用途就會大大推廣，現(xiàn)在通過熱等靜壓（HIP）等熱處理技術已經可以使3D打印件的強度超過鍛件的水平；
其次，材料成本，目前3D打印專用的粉末需要做成球形，又要有一定的粒度分布范圍，從目前來看，生產成本很高，例如，目前不銹鋼粉額售價為二十萬/噸以上。廣東省材料與加工研究所正在試驗一種新型的金屬3D打印技術，可以使用更廉價的金屬粉末來進行3D打印。曾克里透露，“受到陶瓷3D打印的啟發(fā)，我們開發(fā)了一種先將細粉和高分子結合在一起，用一種類似注射成型的方法將部件打印出來，然后再燒結的方法也能打印出金屬部件。”
目前廣東省材料與加工研究所正在和深圳一家高分子材料公司合作研發(fā)這種新方法，不僅能降低3D打印的成本，而且通過燒結，打印出來的部件無粉末殘留。曾克里舉了一個很實際的例子，目前人體植入的鈦合金部件往往是多孔的，里面的殘留粉末很難去除，如果植入人的腦顱內，一旦粉末掉出來，造成的后果會非常嚴重，因此，曾克里認為這種新的金屬3D打印技術有一定的市場需求。
中國金屬3D打印的發(fā)展的關鍵在于實現(xiàn)材料的自給自足。廣東省材料與加工研究所擁有強大的研發(fā)力量作為堅強的后盾，政府政策的支持又為其提供了一個非常好的產業(yè)化的平臺，而作為研究所3D打印金屬粉末技術的帶頭人，擁有著三十多年粉末研究經歷的曾克里對技術敏銳洞悉、對目標堅定推進、對團隊團結凝聚，最重要的是他對中國國產化的能力始終充滿著信心，這種樂觀的態(tài)度正是我們實現(xiàn)目標的最大的動力之源。
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