西北工業(yè)大學(xué)——國(guó)內(nèi)最早研究，應(yīng)用金屬3D打印的高校

1995年，黃衛(wèi)東在科研中產(chǎn)生了關(guān)于快速成形技術(shù)的一個(gè)新構(gòu)思：把快速原型制造的增材成形原理和同步送粉激光熔覆相結(jié)合，形成一種快速成形高性能致密金屬零件的新技術(shù)，用于直接制造可以承載高強(qiáng)度的力學(xué)載荷的金屬結(jié)構(gòu)件。黃衛(wèi)東注意到，當(dāng)時(shí)“快速成形”=“快速原型制造”，但兩者的內(nèi)涵其實(shí)并不相同。增材制造作為一種快速成形原理，沒(méi)有理由說(shuō)它只能用于原型制造，而不能制造可以直接承載高強(qiáng)度力學(xué)載荷的金屬結(jié)構(gòu)件。

　　但當(dāng)黃衛(wèi)東同快速成形領(lǐng)域的專家們交流構(gòu)思時(shí)，專家們卻是一致地表示懷疑，不相信快速成形技術(shù)可以制造像鑄件和鍛件那樣高力學(xué)性能的致密金屬零件！黃衛(wèi)東根據(jù)自己的專業(yè)知識(shí)，堅(jiān)信采用同步送粉激光熔覆技術(shù)完全可以做出力學(xué)性能非常高的金屬零件。于是，他安排博士研究生李延民開(kāi)始進(jìn)行激光立體成形的技術(shù)基礎(chǔ)多層激光熔覆的探索性研究。初步結(jié)果令人鼓舞，在金相顯微鏡下竟然難以分辨多層激光熔覆形成的金屬塊的分層結(jié)構(gòu)，說(shuō)明材料結(jié)合得非常好，確實(shí)形成了一個(gè)致密的整體。

　　1997年，航空科學(xué)基金首次設(shè)立重點(diǎn)項(xiàng)目，黃衛(wèi)東教授題為“金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學(xué)性能研究”的項(xiàng)目申請(qǐng)通過(guò)函評(píng)，在會(huì)審會(huì)上，黃衛(wèi)東的激光立體成形新設(shè)想，在評(píng)審組長(zhǎng)，中國(guó)著名激光焊接專家左鐵釧教授的力挺下得以通過(guò)。同年，激光定向凝固研究項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。這是中國(guó)在激光立體成形領(lǐng)域最早的正式立項(xiàng)的科研項(xiàng)目。李延民以激光立體成形作為研究?jī)?nèi)容的博士論文讓他在2001年獲得博士學(xué)位，成為中國(guó)第一位專門研究激光立體成形技術(shù)的博士。畢業(yè)后即被美國(guó)GE公司中國(guó)研究中心招募，為該中心創(chuàng)建了激光立體成形技術(shù)研究部門。

　　2000年以后，863計(jì)劃、973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等也開(kāi)始對(duì)激光立體成形立項(xiàng)支持。2001年，黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)關(guān)于“高性能復(fù)雜金屬零件的激光快速成形技術(shù)”的研究項(xiàng)目申請(qǐng)獲得國(guó)家863計(jì)劃的支持。

　　863項(xiàng)目的研究成果，很快就在我國(guó)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中做出重要貢獻(xiàn)。到該發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試車的時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用鑄造技術(shù)研制的一個(gè)關(guān)鍵零件始終未能合格，使得發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法按時(shí)裝機(jī)試車。利用863項(xiàng)目研究所獲得的技術(shù)成果，黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)采用激光立體成形技術(shù)研制的零件保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)試車。

　　2001年，黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)了中國(guó)第一批關(guān)于激光立體成形的源頭創(chuàng)新專利。至今已獲授權(quán)激光立體成形的材料、工藝和裝備相關(guān)的國(guó)家發(fā)明和實(shí)用新型專利12項(xiàng)。

　　2002年和2006年，西工大與中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院合作，先后獲得863計(jì)劃的連續(xù)支持，開(kāi)展口腔金屬修復(fù)體和梯度生物活性材料的激光立體成形研究，其中激光立體成形的口腔鈦基金屬修復(fù)體已通過(guò)臨床試用，激光成形制備的鈦/生物陶瓷梯度復(fù)合材料也通過(guò)了動(dòng)物植入測(cè)試。激光立體成形技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，是黃衛(wèi)東和他的團(tuán)隊(duì)所看好的下一個(gè)研究重點(diǎn)。實(shí)際上，這項(xiàng)工作早在1995年就起步了。那年四醫(yī)大口腔醫(yī)院的王忠義教授帶領(lǐng)他的幾個(gè)博士研究生到實(shí)驗(yàn)室探討口腔醫(yī)學(xué)與材料加工領(lǐng)域的合作機(jī)會(huì)。黃衛(wèi)東提出的激光立體成形的技術(shù)構(gòu)思引起了王忠義教授的高度興趣。當(dāng)他的一位博士生高勃完成博士學(xué)位論文之后，王忠義就建議他到西北工業(yè)大學(xué)作博士后研究工作，由此啟動(dòng)了長(zhǎng)達(dá)十幾年至今的口腔植入體激光成形研究工作。高勃博士如今已是四醫(yī)大的教授、博士生導(dǎo)師，口腔植入體的激光成形研究成了他的主要科研方向。

　　航空航天和大型機(jī)械裝備關(guān)鍵零件的高性能修復(fù)，是激光立體成形技術(shù)的又一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。2003年，黃衛(wèi)東教授到成都飛機(jī)公司去進(jìn)行有關(guān)激光立體成形的學(xué)術(shù)交流。成飛科技部的部長(zhǎng)說(shuō)，我們更關(guān)心高端零件的修復(fù)。在飛機(jī)零件的加工過(guò)程中，不可避免常常因?yàn)楦鞣N原因形成的零件缺陷而導(dǎo)致報(bào)廢，由于飛機(jī)關(guān)鍵零件對(duì)性能可靠性的要求極高，因此一般不允許修復(fù)使用。一些大型零件的價(jià)格往往上百萬(wàn)元或數(shù)百萬(wàn)元，其報(bào)廢導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失極為高昂。更為要緊的是，有的關(guān)鍵零件的加工周期很長(zhǎng)，重新制造將需要很長(zhǎng)的時(shí)間，往往引起飛機(jī)研制進(jìn)度拖延。因此，如果有高性能修復(fù)技術(shù)能使這些零件起死回生，將是極有價(jià)值的。成飛迅即立項(xiàng)，委托實(shí)驗(yàn)室研究飛機(jī)大型關(guān)鍵零件的激光修復(fù)。由于激光修復(fù)技術(shù)的價(jià)值已得到證實(shí)，成都飛機(jī)公司、西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和某飛機(jī)修理廠都已購(gòu)買了西工大為他們的重要產(chǎn)品專門研制的激光修復(fù)設(shè)備。其中有的設(shè)備可以修復(fù)數(shù)米大的飛機(jī)零件。

　　裝備技術(shù)是激光成形團(tuán)隊(duì)一個(gè)極為重要的研究?jī)?nèi)容。先進(jìn)的技術(shù)離不開(kāi)裝備的支持，技術(shù)的成熟性最終要以工藝和裝備的完整性和成套性來(lái)體現(xiàn)。黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)從研究伊始就非常注重激光立體成形設(shè)備的研發(fā)。從最初只是研制實(shí)驗(yàn)室必不可少的裝備，到提供工業(yè)企業(yè)商用。2007年，研制出國(guó)內(nèi)首套商用LSF-型激光立體成形制造裝備，迄今已為中國(guó)航天科工集團(tuán)、西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、成都飛機(jī)制造公司等5家國(guó)內(nèi)外企業(yè)提供商用激光立體成形與修復(fù)再制造裝備。目前國(guó)際上能夠提供產(chǎn)業(yè)使用的激光立體成形裝備的代表性公司有美國(guó)的Optomec公司，POM公司，德國(guó)的Trumpf公司，國(guó)內(nèi)僅西北工業(yè)大學(xué)提供了商用裝備。一家國(guó)際著名激光加工裝備制造公司的銷售人員說(shuō)：“看來(lái)我們只能放棄與你們競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)為合作�！敝袊�(guó)商飛與實(shí)驗(yàn)室的合作，就是緣于吳光輝總設(shè)計(jì)師在航天科工集團(tuán)看到實(shí)驗(yàn)室研制的激光成形裝備。

　　裝備研究是凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最重要的研究傳統(tǒng)之一，凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目前80%以上居于國(guó)際前沿的先進(jìn)裝備都是實(shí)驗(yàn)室人員獨(dú)立研發(fā)出來(lái)的。不過(guò)，激光立體成形裝備畢竟與傳統(tǒng)的凝固裝備不同，特別是涉及到了激光器的精確控制、零件的三維造型和剖分、環(huán)境氣氛的精確控制、以及材料送進(jìn)方式等，都對(duì)裝備在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造方面提出了非常高的要求。為了解決這些問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)成員分工協(xié)作，一遍遍地查資料，一遍遍地做測(cè)試，一遍遍地檢查，一點(diǎn)點(diǎn)地琢磨，常常為了一個(gè)問(wèn)題的解決通宵達(dá)旦地工作，最終硬是憑著不懈的努力，把一個(gè)個(gè)難題啃了下來(lái)。就拿材料送進(jìn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，初看似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的東西，把粉末送出來(lái)就行。但是對(duì)于激光立體成形來(lái)說(shuō)，一方面要求必須具有充足的送粉量，這要求送粉管不能太細(xì)，另一方面還要求送出的粉末流直徑要和激光束斑的直徑相當(dāng)，并準(zhǔn)確投射到激光形成的小熔池中，以保證沉積效率和成形幾何和表面精度。開(kāi)始的時(shí)候采用的是熱噴涂的送粉噴嘴，送粉量是足夠了，但是送出的粉末流直徑達(dá)到了近10毫米，而早期中等功率可用的激光束斑直徑通常也就是2—3毫米，也就是說(shuō)，在成形過(guò)程中粉末被大量散失掉了。這一方面使得成形效率大大降低，另一方面散失的粉末粘在熔池以外的零件表面上，搞得零件表面坑坑洼洼。直到有一天，團(tuán)隊(duì)里一個(gè)原來(lái)搞航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的人員在做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，指出送粉噴嘴必須要做氣動(dòng)設(shè)計(jì)，才可能控制粉末束的流態(tài)。為此，大家啃起了氣動(dòng)原理資料，學(xué)習(xí)從發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)原理到高速風(fēng)洞的流道設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，找到了噴嘴設(shè)計(jì)的氣動(dòng)原理。經(jīng)過(guò)了一次次的失敗，終于將粉末流直徑從近10毫米減小到了近1毫米，大大提高了送進(jìn)系統(tǒng)的粉末匯聚性和流量穩(wěn)定精度，使得采用該送粉噴嘴制備零件的成形精度和表面光潔度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。像這樣刻苦攻關(guān)解決的問(wèn)題還包括過(guò)程監(jiān)測(cè)和反饋控制系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、成形CAPP/CAM及集成控制軟件等。所研制的裝備能夠?qū)崿F(xiàn)各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋯合金和鋁合金的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的無(wú)模具、快速、近凈成形以及修復(fù)再制造。

　　到2007年，黃衛(wèi)東與團(tuán)隊(duì)骨干合作撰寫并出版了本領(lǐng)域中國(guó)首部專著《激光立體成形》，這也是國(guó)際上第二部涉及激光立體成形的專著；2008年，高性能致密金屬零件激光立體成形理論、技術(shù)與裝備獲得陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。