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中国“居里夫妇”首创铸锻铣一体化金属3D打印技术,能用在纺机上就好了!

来源:环球纺机 发布时间:2016年08月01日

居里夫妇志趣相投、献身科研的故事为人熟知,他们因放射性研究共同获得诺贝尔奖,更是科学界的一段佳话。而在华中科技大学也有这么一对夫妻教授,他们18年来从事着同样的研究——铸锻铣一体化3D金属打印,并成功制造出世界首批3D打印锻件,近日在武汉召开该成果发布会。


张海鸥和王桂兰夫妇


据了解,华中科技大学机械学院张海鸥教授主导研发的这项金属3D打印技术“智能微铸锻”,是在3D打印技术中加入了锻打技术。对此,专家们认为,该成果打破了3D打印行业存在的最大障碍,开启了人类实验室制造大型机械的历史,并将给全球机械制造业带来颠覆性创新。


据了解,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。然而,常规3D打印不仅成本很贵,且工时很长,还打印不出经久耐用的材质来,一直没有得到突飞猛进的发展。全球3D打印行业一直处在“模型制造”和展示阶段。


为解决这一世界性难题,张海鸥团队经过十多年潜心攻关,独立研制的微铸锻同步复合设备创造性地将已有千年历史的人类金属铸造、锻压技术合二为一,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,实现了首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新,大幅提高了制件强度和韧性,提高了构件的疲劳寿命和可靠性。不仅能打印薄壁金属零件,而且能打印出大壁厚差的金属零件,省去了传统巨型锻压机的成本,可通过计算机直接控制成形路径,大大降低了设备投资和原材料成本。这一技术获20多项中国和国际发明专利。该成果目前已用于制造我国新型战机挂件、高铁辙叉等多项支柱产业领域及大型先进尖端武器装备领域。


经由这种微铸锻生产的零部件,各项技术指标和性能均稳定超过传统铸件。同时,该技术以金属丝材为原料,材料利用率达到80%以上,丝材料价格成本为目前普遍使用的激光扑粉粉材的1/10左右。由于这一技术能同时控制零件的形状尺寸和组织性能,大大缩小了产品周期:制造一个两吨重的大型金属铸件,过去需要三个月以上,现在仅需十天左右。


有趣的“包饺子”理论


60岁的张海鸥教授来自华中科技大学机械学院,53岁的王桂兰教授来自该校材料学院。昨日,记者获准探访两位教授的实验基地,看到了这项融合了3D打印、半固态锻造、机器人3项技术的最新成果,并了解了他们科研背后的故事。


进入实验基地,一台长4米、高和宽均为2米的“铁疙瘩”映入眼帘,它可是世界上首次成功打印出具有锻件性能的高端金属零件。在填充金属丝材后,打印针头来回移动,材料从3D打印针头中被挤出来,物料在过程中被一层一层叠加成型,同时进行高温热处理,轧辊沿着熔积方向对熔积层进行锻造,最后铣削成型。


“传统工艺铸造、锻造、铣削是分离进行的,但在这台机器上实现了一体化。”张海鸥教授解释说,如果把制作一个精密复杂零部件想成包饺子,那么就需要和面、擀皮、配馅等环节,如果其中一个环节不到位,下锅后可能就露馅,现在这些工序合在一起,皮馅结合紧致,就不会露馅。“露馅的饺子还能吃,但零件‘露馅’就会疏松,只能报废。”


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、核电用钢等八种金属材料。



放弃东京大学高薪回国,“吵架”吵出高科技


1998年,张海鸥和王桂兰放弃在日本东京大学的高薪,来到华中科技大学,在3D打印领域一扎就是近20年。


在王桂兰眼中,先生是位多才多艺的教授。“他的歌唱得非常好。我当时就是这样上当的。”谈起当年,王桂兰略有些羞涩。张海鸥一首《我的太阳》彻底赢得了王桂兰的芳心。


后来,张海鸥去了日本东京大学念博士,王桂兰也夫唱妇随,也去了东京大学当客座研究员。


可能正是他的多才多艺,使得他们的3D打印研究,开辟了一条新路。2008年,他们的研究陷入困境,不知道朝何处发展。这时,张海鸥突发奇想,为什么不把传统分开进行的“铸”“锻”“铣”合一进行呢。对此,王桂兰直斥先生异想天开。因为几千年来,都没有这种做法。为此,夫妇俩还大吵了几架。当然,都只是学术的争吵。但吵归吵,张海鸥的设想还是打开了王桂兰的思路,她最后还是带着10多个学生进行实验,“当时想着要是行不通,也至少可以让他死心。”王桂兰说。


研发过程失败了很多次,他们也吵了很多次。“每次失败他都会挨我一顿抨击。”王桂兰笑着说,“但我又会不自觉按他的思路继续试,错了就继续吵,吵完再接着干。”夫妇俩夜以继日地进行研发,全身心地投入到实验中,18年来几乎天天吃食堂,家里厨房一年用不了几次。2010年,王桂兰团队成功完成了西飞大型飞机蒙皮热压成型模具,这验证了张海鸥的“铸锻铣合一”的设想,实现了首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新,成功实现铸锻铣一体化。这也是全球首次进行边铸边锻、铸锻合一的新技术。


这种“铸锻铣一体化”金属3D打印技术,有望改变世界金属零件制造历史,出现首次由中国制造领先的“东方时代”。



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