我國攻破金屬3D打印的世界級技術(shù)難題，威武！

　　我國攻破金屬3D打印的世界級技術(shù)難題，威武！

　　華中科技大學(xué)張海鷗教授成功研發(fā)“智能微鑄鍛銑復合制造技術(shù)”，并與法國空客公司舉行了技術(shù)合作簽約儀式，這是法中兩國在先進(jìn)制造領(lǐng)域的一項重要合作。這位年過(guò)60歲的老人和夫人王桂蘭一起，帶領(lǐng)團隊用14年的時(shí)間，破解了困擾金屬3D(三維)打印的世界級技術(shù)難題，實(shí)現了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng )新。

　　不僅是空客，美國通用電氣公司不久前也主動(dòng)上門(mén)洽談合作。創(chuàng )新成果被航空業(yè)巨頭競相追逐，表明了我國在3D打印技術(shù)上已經(jīng)由“跟跑”開(kāi)始進(jìn)入“領(lǐng)跑”階段。

　　將金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一，改變西方引領(lǐng)的制造模式

　　在華中科技大學(xué)，張海鷗、王桂蘭夫婦就像一段傳奇。跟電弧光打交道十余年，他們被稱(chēng)為“華科居里夫婦”。其實(shí)，張海鷗的科研路頗為曲折，剛起步時(shí)，他埋頭于軋鋼研究。但“這項技術(shù)，日本已經(jīng)研究得差不多了”，導師的話(huà)如當頭一棒，他懵了?？紤]再三，他于1987年?yáng)|渡日本“取經(jīng)”。

　　王桂蘭說(shuō)，在日本工作之余，她做得最多的就是收集資料，從課程配置到最前沿的技術(shù)，無(wú)所不有?！盎貒臅r(shí)候，資料整整打包了31個(gè)大箱子?！?/p>

　　十幾年科研路，就是不斷試錯的過(guò)程?！拔ㄓ袆?chuàng )新才有未來(lái)，跟在別人后面是不會(huì )有太大出路的?！?998年，張海鷗被引進(jìn)到華中科技大學(xué)，致力于高效低成本無(wú)?？焖僦圃旒夹g(shù)研究，4年后開(kāi)始主攻金屬3D打印。

　　試錯之后迎來(lái)創(chuàng )新。2016年7月，張海鷗團隊創(chuàng )造性地將金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一，成功制造出世界首批3D打印鍛件，實(shí)現3D打印鍛態(tài)等軸細晶化、高均勻致密度、高強韌、形狀復雜的金屬鍛件，全面提高了制件強度、韌性、疲勞壽命及可靠性，降低設備投資和原材料成本，大幅縮短制造流程與周期，全面解決常規3D打印成本高、工時(shí)長(cháng)，打印不出經(jīng)久耐用材質(zhì)的世界性難題。

　　專(zhuān)家表示，這項技術(shù)改變了長(cháng)期以來(lái)由西方引領(lǐng)的“鑄鍛銑分離”的傳統制造歷史，將開(kāi)啟實(shí)驗室制造大型機械的歷史。

　　攻克傳統技術(shù)難題，推動(dòng)金屬3D打印制件進(jìn)入高端應用

　　最近幾天，在華中科技大學(xué)數字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的實(shí)驗基地，張海鷗團隊正在加緊制造一批應用于航空領(lǐng)域的高端金屬鍛件。目前由“智能微鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件，已達到2.2米長(cháng)約260公斤?，F有設備已打印飛機用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等8種金屬材料，是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材制造技術(shù)裝備。

　　據介紹，在傳統機械制造中，澆鑄后的金屬材料不能直接加工成高性能零部件，必須通過(guò)鍛造改造其內部結構，解決成型問(wèn)題。但是對超大鍛機的過(guò)度依賴(lài)，導致機械制作投資大、成本高且制作流程長(cháng)、能耗大、污染和浪費嚴重的問(wèn)題。正因如此，金屬3D打印技術(shù)因能解決以上弊病而成為前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)。作為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動(dòng)力，目前已經(jīng)在航空航天、醫療、汽車(chē)等領(lǐng)域開(kāi)始獲得大規模應用。

　　“常規金屬3D打印存在致命缺陷：一是沒(méi)有經(jīng)過(guò)鍛造，金屬抗疲勞性嚴重不足；二是制件性能不高，難免存在疏松、氣孔和未熔合等缺陷；三是大都采用激光、電子束為熱源，成本高昂。所以形成了中看不中用的尷尬局面?！睆埡ｚt介紹，正因如此，全球金屬3D打印行業(yè)一直處在“模型制造”和展示階段，無(wú)法進(jìn)入高端應用。

　　2016年7月，張海鷗團隊研發(fā)出微鑄鍛同步復合設備，并打印出全球第一批鍛件：鐵路關(guān)鍵部件轍叉和航空發(fā)動(dòng)機重要部件過(guò)渡鍛。專(zhuān)家表示，這種新方法制件“強度和塑性等性能及均勻性顯著(zhù)高于自由增材成形，并超過(guò)鍛件水平”，“將為航空航天高性能關(guān)鍵部件的制造提供我國獨創(chuàng )國際領(lǐng)先的高效率、短流程、低成本、綠色智能制造的前瞻性技術(shù)支持?！?/p>

　　“常規3D打印金屬零件的過(guò)程是打印算一層，鑄造算一層，鍛壓又一層，三者要分開(kāi)依次進(jìn)行，即前一個(gè)步驟完了，后一個(gè)步驟方可進(jìn)行，中間還要騰出金屬冷卻的時(shí)間”。張海鷗介紹，智能微鑄鍛技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行上述步驟，打印完成了，鑄鍛也就同時(shí)完成了。

　　“我們將原先需要8萬(wàn)噸力才能完成的動(dòng)作，降低到八萬(wàn)分之一，也就是不到1噸的力即可完成，同時(shí)一臺設備完成了過(guò)去諸多大型設備才能完成的工作，綠色又高效?！彼f(shuō)。

　　從“跟跑”到“領(lǐng)跑”，為先進(jìn)制造業(yè)帶來(lái)深刻的技術(shù)變革

　　張海鷗介紹，我國3D打印產(chǎn)業(yè)一直處于“跟跑”階段，與發(fā)達國家相比，我國3D打印產(chǎn)業(yè)大多停留在科研層面。要擺脫“跟跑”的尷尬，必須創(chuàng )新。在他的研究方向上，處處都體現了創(chuàng )新精神。

　　“當時(shí)國內外的金屬3D打印主要以激光、電子束為熱源，我們想降低成本，就選擇了等離子束為熱源，發(fā)現效率很高?！睆埡ｚt介紹，等離子和激光做熱源都是通過(guò)高能束來(lái)熔化金屬粉末，制造金屬模具，但兩者的發(fā)生裝置和加工方式不同，等離子具有成本低、成形率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　十幾年前，金屬3D打印做出的制件非常粗糙，經(jīng)過(guò)后期機械加工后才能當做零件使用，而要打印復雜制件，則幾乎不可能實(shí)現。張海鷗帶領(lǐng)團隊反復實(shí)驗，在金屬3D打印中加入了銑削環(huán)節，邊打印邊進(jìn)行機械加工，攻克了此項難題，獲得國家發(fā)明專(zhuān)利。

　　選擇鑄鍛合一的方向是更大的創(chuàng )新?！八状胃姨岢觥T鍛銑一體化’構想時(shí)，我認為是異想天開(kāi)，兩人為此進(jìn)行了激烈的爭吵?！蓖豕鹛m說(shuō)，很多時(shí)候，創(chuàng )新是在夫婦倆的爭吵中產(chǎn)生的。

　　反復實(shí)驗、不斷試錯之后，研究方向愈加清晰。2010年，大型飛機蒙皮熱壓成形模具的誕生，驗證了在金屬3D打印中復合鍛打的可行性。

　　鑄鍛一體化3D打印技術(shù)發(fā)布后，國外航空工業(yè)巨頭紛紛上門(mén)洽談合作。據介紹，美國通用公司不久前巨資收購了德國和瑞典兩家3D打印公司，但對于許多需要鍛造性能的大中型承力構件仍無(wú)能為力，而張海鷗團隊的研究成果可彌補這個(gè)缺陷。

　　北京工業(yè)大學(xué)教授陳繼民認為，張海鷗發(fā)明的技術(shù)在航空航天、核電、艦船、高鐵等重點(diǎn)支柱領(lǐng)域的應用前景廣闊，比如對于長(cháng)壽命、高可靠性的航空發(fā)動(dòng)機關(guān)鍵部件的制造有顯著(zhù)優(yōu)勢。

　　在我國研制的新型戰斗機上，一種新型復雜鈦合金接頭的制造也已經(jīng)開(kāi)始和張海鷗團隊合作，用該技術(shù)打印出來(lái)的鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性均超過(guò)傳統鍛件。

　　目前，該技術(shù)正在西航動(dòng)力公司、西安飛機制造公司等新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應用，已經(jīng)試制了高溫合金雙扭葉輪、鋁硅合金熱壓泵體、發(fā)動(dòng)機過(guò)渡段等零件，以及大型飛機蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車(chē)翼子板沖壓成形FGM模具等，應用前景廣闊。

　　目前，根據空客公司對飛機零部件的需求，張海鷗團隊正在進(jìn)行研發(fā)，“一旦繼續獲得認可，我們將贏(yíng)得空客的零部件生產(chǎn)的訂單，同時(shí)還可能獲得更多國際民用航空巨頭的青睞?！睆埡ｚt說(shuō)。