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金屬3D打印技術限制出囗:華科“居里夫婦”領航中國制造!

發布時間: 2020-9-14 11:24:09       瀏覽:

828日,商務部、科技部調整發布《中國禁止出口限制出口技術目錄》,鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術首次被列入目錄。

其中,第二部分“限制出口部分”第八條“通用設備制造業”寫到:「新增“3D打印技術(編號:183506X),控制要點:‘鑄鍛銑一體化’金屬3D打印關鍵技術”。」

鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術首創了“鑄鍛同步、控形控性、缺陷檢測、自主修復”多功能集成系列裝備,實現1臺設備超短流程制造大型復雜鍛件的重大創新。

該技術由華中科技大學機械科學與工程學院教授張海鷗首創,歷時近二十年,團隊創造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,顛覆了自古整體先鑄后鍛的認知,發明并研發了一批具有自主知識產權和核心競爭力的微鑄鍛同步制造系列技術與裝備,攻克了大型復雜高端鍛件無法高品質短流程制造的"卡脖子"難題。

01  用夸父追日的堅韌打磨一件事

寶劍鋒從磨礪出,一個個硬核成果的背后是無數的汗水與無盡的堅持。

張海鷗,華中科技大學教授,數字制造裝備與技術國家重點實驗室工藝方向學術帶頭人,東京大學工學博士,曾主持完成20多項國家自然科學基金、863計劃、國防預研等課題,先后獲20項國內發明專利和1項國際發明專利。

1998年,張海鷗和妻子王桂蘭在日本東京大學完成學業后回國,共同任教于華中科技大學。海鷗夫婦的家離實驗室很近,用張海鷗的話說就是“700米,1300步”。即便這么近,他們還是覺得耽誤時間,索性搬來一張行軍床,困了就在實驗室里躺一躺;平時學生們都是“四班倒”,而兩位教授卻始終“在一線”。正是如此,夫婦倆被師生們親切地稱為華科“居里夫婦”。    

“當年與實驗室王湘平、符友恒、唐尚勇等徒兒們,在通風不良、雨天屋頂瀑布、地面汪汪積水的破舊廠房里,度過了數不清的日日夜夜。印象最深的是盛夏時節,炙熱的等離子弧灼烤著臉頰,眼睛刺得睜不開、皮膚火辣辣地疼,全身奇癢、蛻皮。”

張海鷗回憶最初的日子,感慨萬千。陪伴他堅持下來的,正是他的夫人王桂蘭與一屆又一屆的徒兒們。

 

對理想的追求,對科學的虔誠,是張海鷗夫婦二人堅定不移的信仰,他們的堅韌也感染了無數的學生。一名碩士生在畢業時還專門作了一首詩——《奮斗者之歌》,將兩位導師比作追逐太陽的夸父之子,這首詩正是對兩位孜孜不倦專心科研的真實寫照。

功夫不負有心人。2016年,團隊開發出全球首創的多自由度協同柔性變胞輕型緊湊裝備,短流程制造出優異疲勞壽命的大型復雜鍛件,完成了內燃機過渡段、螺旋槳、轍叉、飛機掛架、航空發動機匣、球閥、承力鋼構、航空電力件、航空發動機關鍵承力件等全系列微鑄鍛產品打印裝備開發。

目前,產品已應用于大型飛機、航空發動機、燃氣輪機、航天、船舶、先進軌道交通、核電等多個大國重器的裝備制造領域。

02 開辟前所未有的綠色制造時代

鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術首次被列入限制出口技術目錄,主要有兩方面原因。一方面是技術的獨創性、先進性,可實現“更快打印”、“更優打印”;另一方面,這項技術將是破解中國高端裝備制造“卡脖”難題關鍵,尤其是高端武器裝備制造,助力中國從制造大國向制造強國轉變。

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,必須通過鍛造改造其內部結構,解決成型問題。但是對超大鍛機的過度依賴,導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗巨大、污染嚴重、浪費嚴重并難以制作梯度功能材料零件。

常規金屬3D打印技術同樣存在致命缺陷:一是沒經過鍛造,綜合力學性能不及鍛件,尤其是韌性和疲勞性能;二是冶金質量難以控制,易產生氣孔、未熔合等冶金缺陷;三是設備成本和制造成本較高,熱源多采用大功率激光或電子束,需整體密閉保護,成形空間有限,材料成本昂貴。

▲張海鷗團隊研發人員進行設備調試

 

為解決這一世界性難題,張海鷗團隊經過十多年潛心攻關,研制出微鑄鍛同步復合設備創造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,實現了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新,其制造品質和效率遠優于國際同類水平:僅用萬噸鍛機萬分之一壓力,獲合金鋼12級均勻超細等軸晶,遠高于傳統制造8級,疲勞壽命超過國際航空鍛件水平;裝備可鍛面積全球最大,成形效率為國外頂級水平的3倍,節能90%

“金屬3D打印‘微鑄鍛’技術完全改變了傳統機械制造長期依靠高能耗、重污染的方式,或將開辟機械制造史上前所未有的綠色制造時代,使傳統制造的不可能成為可能。”張海鷗說。

03  硬核科技拿下復工后首個核電大單

疫情期間,為保證國防重大項目的如期完成,張海鷗師徒在武漢未解封時,毅然選擇逆行,親臨金屬3D打印“微鑄鍛”裝備的生產基地——武漢天昱智造基地開啟復工復產工作。

在生產廠房里,弧光閃爍、機聲轟鳴,一個個復雜金屬零件結合獨特微鑄鍛銑工藝,邊打印邊加工,猶如一件件藝術品驚艷亮相于生產線上。 

          

 

“我們通過在線采集光、電、熱、力、聲等全方位信號數據,并自寫算法建模分析進行穩定性監測與缺陷判定,實現邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控,從而確保增材制造鍛件的高可靠性與穩定性。”張海鷗團隊博士生王湘平與符友恒介紹,“鑄鍛銑一體化的制造過程必須得做到極致的嚴謹,弧光跳動稍有異常甚至成形聲音不對都會對鑄鍛形性造成影響。畢竟,這些高端零件都是應用于航空航天、鐵路船舶、兵器工業等領域的大國重器中,絕不能有半點閃失!”

   


大型鑄鍛銑復合增材設備(部分)

 

 

復工以來,3D打印“微鑄鍛”產業化團隊已拿到首個核電領域訂單,科研團隊也在加緊研發涉及航空航天、艦船等領域的新型高端零件,包括鋁合金艙段、不銹鋼泵推葉輪、超高強鋼吊掛盒段底梁,以及鈦合金吊掛外后接頭等。

“盡管疫情讓我們按下了幾個月的暫停鍵,但我們的科研工作一刻也沒有停,現在全員復工后,我們加足馬力生產,年前積壓的訂單加上現在的新訂單,一年的產能可達到5000萬左右。”張海鷗信心滿滿地說。

04  微鑄鍛提名國家技術發明一等獎

今年6月,金屬微鑄鍛同步復合增材制造技術與裝備獲得2019年度湖北省技術發明獎一等獎。頒獎評語中這樣寫道:“該技術在技術原理、工藝及裝備等方面取得突出創新,在國內外首次研制成功微鑄鍛合一裝備,獲得20余項專利等多項創新性成果,整體技術居于國際領先水平。” 

 

張海鷗教授接受電視臺采訪

近日,國家科學技術獎勵工作辦公室公示了2020年度國家科學技術獎的受理項目名單,其中“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術與裝備”提名2020年度國家技術發明獎一等獎。業內普遍認為,這項原創的金屬3D打印技術或將成為我國高端裝備制造業高質量發展的推進器。

 

05  中國打印助推制造業高質量發展

習近平總書記指出,裝備制造業是制造業的脊梁,要加大投入、加強研發、加快發展,努力占領世界制高點、掌控技術話語權,使我國成為現代裝備制造業大國。以自主研發打造國之重器,以創新驅動推動裝備制造業高質量發展,可以更好地推動實現我國制造強國夢。

當前, 3D打印作為一項前沿性的先進制造技術,已經成為全球新一輪科技革命和產業革命的重要推動力,其中金屬3D打印領域不僅是該項技術的重要發展方向之一,更是助力中國邁向現代裝備制造業大國的突破口和試金石。

隨著第四次工業革命大幕的徐徐拉開,張海鷗夫婦已鉚足干勁,帶領團隊在踐行中國制造強國夢的道路上越行越遠:“原創的金屬3D打印技術是中國從制造大國向制造強國轉變的推進器,或將掀起世界高端裝備制造業的革命。我期待,不僅是中國的大飛機、大船舶能夠實現‘中國打印’,其他國家的高端裝備也能刻上‘中國打印’的烙印!”

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