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金属3D打印技术限制出囗:华科“居里夫妇”领航中国制造

   2020-09-21 武汉天昱智能制造有限公司武汉天昱0
核心提示:8月28日,商务部、科技部调整发布《中国禁止出口限制出口技术目录》,铸锻铣一体化金属3D打印技术首次被列入目录。
     8月28日,商务部、科技部调整发布《中国禁止出口限制出口技术目录》,铸锻铣一体化金属3D打印技术首次被列入目录。
 
    其中,第二部分“限制出口部分”第八条“通用设备制造业”写到:「新增“3D打印技术(编号:183506X),控制要点:‘铸锻铣一体化’金属3D打印关键技术”。」
 
    铸锻铣一体化金属3D打印技术首创了“铸锻同步、控形控性、缺陷检测、自主修复”多功能集成系列装备,实现1台设备超短流程制造大型复杂锻件的重大创新。
 
    该技术由华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥首创,历时近二十年,团队创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,颠覆了自古整体先铸后锻的认知,发明并研发了一批具有自主知识产权和核心竞争力的微铸锻同步制造系列技术与装备,攻克了大型复杂高端锻件无法高品质短流程制造的"卡脖子"难题。
 
    01用夸父追日的坚韧打磨一件事
 
    宝剑锋从磨砺出,一个个硬核成果的背后是无数的汗水与无尽的坚持。
 
    张海鸥,华中科技大学教授,数字制造装备与技术国家重点实验室工艺方向学术带头人,东京大学工学博士,曾主持完成20多项国家自然科学基金、863计划、国防预研等课题,先后获20项国内发明专利和1项国际发明专利。
 
    1998年,张海鸥和妻子王桂兰在日本东京大学完成学业后回国,共同任教于华中科技大学。海鸥夫妇的家离实验室很近,用张海鸥的话说就是“700米,1300步”。即便这么近,他们还是觉得耽误时间,索性搬来一张行军床,困了就在实验室里躺一躺;平时学生们都是“四班倒”,而两位教授却始终“在一线”。正是如此,夫妇俩被师生们亲切地称为华科“居里夫妇”。
 
    “当年与实验室王湘平、符友恒、唐尚勇等徒儿们,在通风不良、雨天屋顶瀑布、地面汪汪积水的破旧厂房里,度过了数不清的日日夜夜。印象最深的是盛夏时节,炙热的等离子弧灼烤着脸颊,眼睛刺得睁不开、皮肤火辣辣地疼,全身奇痒、蜕皮。”
 
    张海鸥回忆最初的日子,感慨万千。陪伴他坚持下来的,正是他的夫人王桂兰与一届又一届的徒儿们。
 
    对理想的追求,对科学的虔诚,是张海鸥夫妇二人坚定不移的信仰,他们的坚韧也感染了无数的学生。一名硕士生在毕业时还专门作了一首诗——《奋斗者之歌》,将两位导师比作追逐太阳的夸父之子,这首诗正是对两位孜孜不倦专心科研的真实写照。
 
    功夫不负有心人。2016年,团队开发出全球首创的多自由度协同柔性变胞轻型紧凑装备,短流程制造出优异疲劳寿命的大型复杂锻件,完成了内燃机过渡段、螺旋桨、辙叉、飞机挂架、航空发动机匣、球阀、承力钢构、航空电力件、航空发动机关键承力件等全系列微铸锻产品打印装备开发。
 
    目前,产品已应用于大型飞机、航空发动机、燃气轮机、航天、船舶、先进轨道交通、核电等多个大国重器的装备制造领域。
 
    02开辟前所未有的绿色制造时代
 
    铸锻铣一体化金属3D打印技术首次被列入限制出口技术目录,主要有两方面原因。一方面是技术的独创性、先进性,可实现“更快打印”、“更优打印”;另一方面,这项技术将是破解中国高端装备制造“卡脖”难题关键,尤其是高端武器装备制造,助力中国从制造大国向制造强国转变。
 
    传统机械制造中,浇铸后的金属材料不能直接加工成高性能零部件,必须通过锻造改造其内部结构,解决成型问题。但是对超大锻机的过度依赖,导致机械制作投资大、成本高且制作流程长、能耗巨大、污染严重、浪费严重并难以制作梯度功能材料零件。
 
    常规金属3D打印技术同样存在致命缺陷:一是没经过锻造,综合力学性能不及锻件,尤其是韧性和疲劳性能;二是冶金质量难以控制,易产生气孔、未熔合等冶金缺陷;三是设备成本和制造成本较高,热源多采用大功率激光或电子束,需整体密闭保护,成形空间有限,材料成本昂贵。
 
    为解决这一世界性难题,张海鸥团队经过十多年潜心攻关,研制出微铸锻同步复合设备创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,实现了首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新,其制造品质和效率远优于国际同类水平:仅用万吨锻机万分之一压力,获合金钢12级均匀超细等轴晶,远高于传统制造8级,疲劳寿命超过国际航空锻件水平;装备可锻面积全球最大,成形效率为国外顶级水平的3倍,节能90%。
 
    “金属3D打印‘微铸锻’技术完全改变了传统机械制造长期依靠高能耗、重污染的方式,或将开辟机械制造史上前所未有的绿色制造时代,使传统制造的不可能成为可能。”张海鸥说。
 
    03硬核科技拿下复工后首个核电大单
 
    疫情期间,为保证国防重大项目的如期完成,张海鸥师徒在武汉未解封时,毅然选择逆行,亲临金属3D打印“微铸锻”装备的生产基地——武汉天昱智造基地开启复工复产工作。
 
    在生产厂房里,弧光闪烁、机声轰鸣,一个个复杂金属零件结合独特微铸锻铣工艺,边打印边加工,犹如一件件艺术品惊艳亮相于生产线上。
 
    “我们通过在线采集光、电、热、力、声等全方位信号数据,并自写算法建模分析进行稳定性监测与缺陷判定,实现边铸边锻、铸锻同步、形性同控,从而确保增材制造锻件的高可靠性与稳定性。”张海鸥团队博士生王湘平与符友恒介绍,“铸锻铣一体化的制造过程必须得做到极致的严谨,弧光跳动稍有异常甚至成形声音不对都会对铸锻形性造成影响。毕竟,这些高端零件都是应用于航空航天、铁路船舶、兵器工业等领域的大国重器中,绝不能有半点闪失!”
 
    复工以来,3D打印“微铸锻”产业化团队已拿到首个核电领域订单,科研团队也在加紧研发涉及航空航天、舰船等领域的新型高端零件,包括铝合金舱段、不锈钢泵推叶轮、超高强钢吊挂盒段底梁,以及钛合金吊挂外后接头等。
 
    “尽管疫情让我们按下了几个月的暂停键,但我们的科研工作一刻也没有停,现在全员复工后,我们加足马力生产,年前积压的订单加上现在的新订单,一年的产能可达到5000万左右。”张海鸥信心满满地说。
 
    04“微铸锻”提名国家技术发明一等奖
 
    今年6月,金属微铸锻同步复合增材制造技术与装备获得2019年度湖北省技术发明奖一等奖。颁奖评语中这样写道:“该技术在技术原理、工艺及装备等方面取得突出创新,在国内外首次研制成功微铸锻合一装备,获得20余项专利等多项创新性成果,整体技术居于国际领先水平。”
 
    近日,国家科学技术奖励工作办公室公示了2020年度国家科学技术奖的受理项目名单,其中“大型复杂高端零件微铸锻同步超短流程制造技术与装备”提名2020年度国家技术发明奖一等奖。业内普遍认为,这项原创的金属3D打印技术或将成为我国高端装备制造业高质量发展的推进器。
 
    05“中国打印”助推制造业高质量发展
 
    当前,3D打印作为一项前沿性的先进制造技术,已经成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力,其中金属3D打印领域不仅是该项技术的重要发展方向之一,更是助力中国迈向现代装备制造业大国的突破口和试金石。
 
    随着第四次工业革命大幕的徐徐拉开,张海鸥夫妇已铆足干劲,带领团队在践行中国制造强国梦的道路上越行越远:“原创的金属3D打印技术是中国从制造大国向制造强国转变的推进器,或将掀起世界高端装备制造业的革命。我期待,不仅是中国的大飞机、大船舶能够实现‘中国打印’,其他国家的高端装备也能刻上‘中国打印’的烙印!”
 
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