创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,升级3D打印技术制造出形状复杂的大型金属锻件,全面提高制件的强度、韧性和可靠性,解决常规3D打印的世界性难题……正值新春佳节,华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室张海鸥、王桂兰夫妇开启了科研新生涯。
3D制造:3D打印的“升级版”
对张海鸥和王桂兰来说,这个春节“有点忙”。不久前他们带领的团队刚和欧洲空中客车公司签署科研项目合作协议,目前正在抓紧研制一批应用于航空领域的高端金属锻件。
3D打印技术已发展近30年,由于没有锻造环节,“打印”出的制件普遍存在性能及可靠性不足、易变形等缺陷。张海鸥说,这样的制件无法满足大飞机、深潜器等高端装备对金属锻件的要求。从2009年起,他和妻子王桂兰便开始构想如何让金属3D打印制件具备锻件性能,使之能应用于高端领域。
“很多同行在这里受阻或认可了3D打印不能打印锻件的论断。”在王桂兰眼中,丈夫张海鸥偏偏要去挑战这样似乎不可能完成的事——在金属3D打印中加入锻打技术。
正是基于这一构想,张海鸥和他的团队变革了传统制造模式,将金属铸造、锻压技术合二为一,并在成形过程中融合铣削技术,创造出铸锻铣合一3D制造新模式,制造出均匀致密度高、形状复杂的金属锻件,全面提高制件强度、韧性及可靠性,解决了常规3D打印的世界性难题。
这项技术在缩短流程、降低成本、提升效率等方面效果明显。张海鸥告诉记者,以前需要8万吨力才能完成的动作,现在已降低到之前八万分之一以下的力即可完成,一台设备可以完成过去需要铸、锻、铣削等诸多大型设备才能完成的工作,实现了绿色、高效的制造目标,具有显著的技术和经济优势。
刻苦钻研:学生分成四班倒,教授始终在一线
成果振奋人心,但做科研的过程往往艰辛。
张海鸥说,有段时间旧问题刚解决,新问题又冒出来。加之此前国内外一度对3D打印技术并不看好,团队几乎得不到支持,但他和王桂兰始终没有放弃。
在王桂兰眼中,丈夫就是有着一股子武汉人“不信邪”的执拗:“他坚信这项技术具有战略价值,研发成功对全世界3D打印行业和制造业都是好事。”张海鸥带着王桂兰和学生从早到晚都在实验室反复实验、不断试错。
一张行军床,困了就在实验室里躺一躺；屋顶漏雨、地面渗水的实验室,张海鸥和王桂兰经常一待就是十几个小时；学生们都是“四班倒”,两位教授却始终“在一线”。
2010年,大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生,验证了张海鸥在3D打印中复合锻打的可行性。其后,该技术不断完善,打印出飞机用钛合金、高温合金、海洋深潜器、核电用钢等高端金属锻件,性能均稳定超过传统制件。
根据空客公司和美国GE公司对飞机和航空发动机零部件的需求,张海鸥团队将利用该项技术进行研发与打印。他告诉记者,中钢集团意识到该技术的革命性意义,更欣然帮他们建立工程化应用研发基地,为大飞机“打印”中国零件插上了“梦的翅膀”。
“顶天立地”做学问,锻造“创新”家风
谈及这对“教授夫妻”,华中科技大学材料学院原党委书记郑思焰表示:“张海鸥和王桂兰夫妇身上最大的特点,一是敬业,二是创新。”
据了解,中国工程院院长周济也曾多次叮嘱他们,“在困难中要坚持,要用顶天立地的精神做学问。”在看过他们铸锻铣合一3D制造新技术与新设备后,周济表示,这项研究有利于我国在先进制造领域由“跟跑”向“领跑”跨越。
“别人做过的我们不做。”张海鸥认为,创新应该是一个科学工作者必备的素质,“唯有创新才有未来,跟在别人后面难以走远。”
记者采访这对“教授夫妻”时,恰逢新春万家团圆。张海鸥与王桂兰也有一段因求学而分离的“异国时光”,因此“团圆”在他们眼中显得更为珍贵。
1987年,张海鸥只身一人东渡日本“取经”,师从日本“3D打印第一人”中川威雄教授学习和研究等离子快速精密成形模具。据王桂兰回忆:6年,丈夫只回来过两次,但异国求学的付出为今日的成绩奠定了基础。“回国时,光是资料就装了31大箱,都是为了回国服务教学与研究做准备的。”
每当春节来临,千家万户贴“福”字时,张海鸥和王桂兰却会在家中挂出一个“新”字。这种“创新第一、敢为人先”的精神,激励着这对“教授夫妻”勇攀科研新高峰。
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