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我国破解困扰金属3D打印的世界级技术难题

2017-01-23 11:54
kumsing
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昨日,人民日报报道了华中科技大学张海鸥教授所研发的“智能微铸锻铣复合制造技术”,据了解,此前张教授刚刚与法国空客公司举行了技术合作签约仪式,这是法中两国在先进制造领域的一项重要合作。这位年过60岁的老人和夫人王桂兰一起,带领团队用14年的时间,破解了困扰金属3D(三维)打印的世界级技术难题,实现了我国首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新。

不仅是空客,美国通用电气公司不久前也主动上门洽谈合作。创新成果被航空业巨头竞相追逐,表明了我国在3D打印技术上已经由“跟跑”开始进入“领跑”阶段。

将金属铸造、锻压技术合二为一,改变西方引领的制造模式

在华中科技大学,张海鸥、王桂兰夫妇就像一段传奇。跟电弧光打交道十余年,他们被称为“华科居里夫妇”。其实,张海鸥的科研路颇为曲折,刚起步时,他埋头于轧钢研究。但“这项技术,日本已经研究得差不多了”,导师的话如当头一棒,他懵了。考虑再三,他于1987年东渡日本“取经”。

王桂兰说,在日本工作之余,她做得最多的就是收集资料,从课程配置到最前沿的技术,无所不有。“回国的时候,资料整整打包了31个大箱子。”

十几年科研路,就是不断试错的过程。“唯有创新才有未来,跟在别人后面是不会有太大出路的。”1998年,张海鸥被引进到华中科技大学,致力于高效低成本无模快速制造技术研究,4年后开始主攻金属3D打印。

试错之后迎来创新。2016年7月,张海鸥团队创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,成功制造出世界首批3D打印锻件,实现3D打印锻态等轴细晶化、高均匀致密度、高强韧、形状复杂的金属锻件,全面提高了制件强度、韧性、疲劳寿命及可靠性,降低设备投资和原材料成本,大幅缩短制造流程与周期,全面解决常规3D打印成本高、工时长,打印不出经久耐用材质的世界性难题。

专家表示,这项技术改变了长期以来由西方引领的“铸锻铣分离”的传统制造历史,将开启实验室制造大型机械的历史。

攻克传统技术难题,推动金属3D打印制件进入高端应用

最近几天,在华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室的实验基地,张海鸥团队正在加紧制造一批应用于航空领域的高端金属锻件。目前由“智能微铸锻”打印出的高性能金属锻件,已达到2.2米长约260公斤。现有设备已打印飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等8种金属材料,是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造技术装备。

据介绍,在传统机械制造中,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、能耗大、污染和浪费严重的问题。正因如此,金属3D打印技术因能解决以上弊病而成为前沿性的先进制造技术。作为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力,目前已经在航空航天、医疗、汽车等领域开始获得大规模应用。

“常规金属3D打印存在致命缺陷:一是没有经过锻造,金属抗疲劳性严重不足;二是制件性能不高,难免存在疏松、气孔和未熔合等缺陷;三是大都采用激光、电子束为热源,成本高昂。所以形成了中看不中用的尴尬局面。”张海鸥介绍,正因如此,全球金属3D打印行业一直处在“模型制造”和展示阶段,无法进入高端应用。

2016年7月,张海鸥团队研发出微铸锻同步复合设备,并打印出全球第一批锻件:铁路关键部件辙叉和航空发动机重要部件过渡锻。专家表示,这种新方法制件“强度和塑性等性能及均匀性显著高于自由增材成形,并超过锻件水平”,“将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的前瞻性技术支持。”

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