世界首富上新了。2021年1月7日，有硅谷钢铁侠之称的埃隆·马斯克以1850亿美元身价问鼎世界首富。众所周知，“颠覆式创新”是马斯克的财富迅速增长最重要原因之一。世界上第一个可回收火箭已经实现了载人升空，设计时速超过1000公里的“超级环路列车”完成载人测试，敢于取消仪表盘的特斯拉电动汽车全球销量一骑绝尘，这一切不停刷新认知的创新，无一不给硅谷钢铁侠带来了巨额财富。
复飞的“二手”火箭-猎鹰9号
制造领域的革命性前沿技术--3D打印。早在2013年，马斯克就表示“通过3D打印，可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固而高性能的发动机零件”，并于2014年开始在太空飞行硬件上使用3D打印技术。2017年1月，SpaceX成功发射的猎鹰9号火箭含有大量3D打印零件，其中就包括关键的氧化剂阀体。与典型铸件周期以月来计算相比，3D打印阀体在两天内就完成了，同时具有优异的强度、延展性和抗断裂性。
一、无所不能的3D打印
3D打印的学名为增材制造（AM，Additive Manufacturing），它与车、铣、刨、磨等传统机械加工工艺（减材制造）相反，利用3D模型数据，以逐层堆叠累积的方式将材料连接起来构造物体。从原理上说，3D打印可以制造包括复杂航空航天零件、活体器官、牙齿骨骼、房屋建筑等在内几乎所有物体。
3D打印制造的各类物品
3D打印作为一项新兴前沿技术，即使硅谷钢铁侠都说好，但在基础原理及技术推广应用上仍然存在若干问题，这些问题是传统方法难以解决的。我在3D打印金属零件研究过程中也遇到了若干难题，这些难题无一不是通过“反其道而思之”的创新思维解决的，下面举两个简单的例子，以期给予同学们思维方式上的启发。
二、逆向思维，创造性地解决问题
1. 菜刀钝了怎么办？在家做饭时用菜刀切菜剁肉，菜刀用久了就会变钝，切菜就不那么顺手了。这时候该怎么解决呢？菜和肉等被切物体本身是客观、无法改变的，因此我们常用的办法就是找磨刀匠把刀刃重新磨锋利。
3D打印金属零件也存在类似问题：打印制造的金属零件通常需要使用金属切削刀具来进行精密加工，满足精度要求后方可服役使用；此时，3D打印金属零件就相当于被切物体“菜和肉”，切削刀具就相当于“菜刀”。而3D打印的金属零件普遍有硬度高、耐磨性好的特点，给精密切削加工带来挑战，最突出的问题之一是切削加工过程存在较大振动，加工质量较差，这就是我们要解决的难题。
从解决菜刀钝了的常规方法出发，3D打印金属零件的切削加工难题自然也是从金属切削刀具入手，通过使刀具更锋利、优化切削工艺来解决。但对金属切削刀具而言，其性能的提升空间有限，这个常规方法难以从根本上解决问题。
与切菜不同的是，“菜和肉”的自身性质无法改变，而3D打印金属零件的性能是可以主动改变的。因此，可以直接抛开传统方法，期望改善“被切物体”的某种特性，克服切削振动过大导致加工质量差的问题。
从这个角度出发，在广泛调研的基础上进行了大量试验研究，最终通过在3D打印用的金属粉末中掺配微量稀土元素，改善了“被切物体”的阻尼性能，阻尼性能的提高吸收了大量加工振动，显著改善了3D打印金属零件的切削加工质量。该创新成果发表于《Applied Surface Science》(SCI收录,IF:5.155)等高水平期刊。
2. 切西瓜时的经验。切西瓜的时候常会遇到一种现象，刀刚刚接触瓜表面，它便会“嘭”的一声，自然裂开，这是因为西瓜里面存在着内应力，当瓜表面开启一个小口（或者裂纹），内应力会让这个西瓜整个裂开。类似的现象还有和泥巴捏泥人的时候，刚捏好一个形状，很快表面就出现了裂纹，其原因之一也是内应力的存在。
西瓜裂开没法恢复，但泥人裂开有办法恢复，只需要再使劲捏一下裂纹就能消失，其基础理论之一就是通过“捏”施加的外力将导致裂纹的内应力抵消。
与西瓜裂开的现象类似，使用激光3D打印的金属零件也存在很大的内应力，该应力场过大时就会导致打印制造的金属零件开裂，对零件性能起到不利影响，这是我们要解决的难题。
通常这个问题的解决方法是优化激光工艺参数、改善金属自身膨胀系数等物理力学性能，但这些方法对打印金属件应力的改善程度有限。
在上面“菜刀钝了”的例子中提到：3D打印制造的金属零件通常需要进行精密切削加工。并且，前期研究表明，切削加工会在零件表层引入应力。因此，能否利用切削加工引入的应力抵消一部分3D打印金属零件自身的应力，从而解决应力导致打印零件开裂等性能下降的问题呢？
基于这个思路开展了一系列探索研究，提出了基于切削加工的3D打印金属零件应力主动控制方法，经大量试验最终实现了通过切削加工主动控制3D打印金属零件表层应力状态，并在国家自然科学基金项目资助下开展了进一步研究，相关成果获得了山东省机械工业科学技术奖二等奖、山东省高等学校科技成果奖三等奖。
三、反其道而思之，让理想延伸
当正面思维难以解决问题时，最好的办法就是换个方向，反其道而思之，这种思维方式让我在科研道路上受益匪浅。
具体到当代大学生身上，反其道而思之的思维方式可以让大学生对学习、对生活充满探索欲，从而建立起自己对学业、对生活、对世界的独到见解，将对大学生的成才之路提供巨大帮助。
新科首富马斯克在成功之前曾被嘲笑是“疯子”，而正是这位疯子想他人之不敢想，以颠覆式的创新杀进航天、新能源汽车等几十年没有革命性技术进展的领域，改写了人类航天史，吊打地球所有新能源车企，以颠覆者的姿态取得了胜利。
习近平总书记强调“创新是社会进步的灵魂”，希望当代大学生“以敢为人先的勇气、革故鼎新的锐气”，立足学业，大胆创新，用青春铺路，让理想延伸。
审稿：董晨
编审：王忠雷
终审：李瑞学
