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国内3D打印界的五大科研力量“五足鼎立”

时间:2016-07-11 20:51 来源:材料人 作者:ca88亚洲城_ca88亚洲城官网_ca88亚洲城官网【首页】 阅读:
     3D打作为高端制造技术的指引者备受业界重视,为了避免重蹈光伏行业的覆辙,国家也出台相关政策,客观科学地规划布局,引领技术合理发展。
目前,3D打印依然处在研究阶段,距离大规模产业化应用还有很长的路要走。作为3D打印科研界最早的五大派系,在这江湖风云已起之际,看谁又能技压群雄,独领风骚?下面就随南极熊深度聚焦国内3D打印界的五大科研力量:

一、清华大学颜永年团队
颜永年教授被誉为“中国3D打印第一人”,现为清华大学机械工程系机械电子研究所的所长,中国机械工程学会快速成形技术委员会主任。由他领导的激光快速成形中心率先在国内进行了快速原型制造—RPM (Rapid Prototyping Manufacturing) 技术的研究,并完成多种功能先进的RP设备以及有关的软硬件的开发与研究,在世界RP领域上占有一定的地位,还进行了大量由RP向快速工具RT (Rapid Tooling) 制造技术转化的研究。

学术成果简介与业绩

截至到现在,颜永年团队承担并完成了多项国家自然科学重点基金、国家863计划及与企业的横向合作任务。曾经颜永年教授作为总设计师,完成了5套世界级的我国重装行业和国防上急需的重型液压机,通过转让技术帮助企业生产数千台一万吨以下的各类液压机,创产值高达数拾亿。

在多功能快速成形制造系统、组织工程材料的大段骨快速成形制造等方面取得了国际领先水平的科研成果。获国家科技进步二、三等奖3项,省、部级奖5项,拥有发明专利10项等。
2012年,颜永年教授在昆山成立了昆山永年先进制造技术有限公司,并出任董事长,之后又联合海源机械参与建立了"3D打印制造实验室",形成了3D打印产学研相结合的链条。

学术研究的特点为
颜永年教授在70年代初从事金属材料锻压成形工艺和设备,特别是预应力结构的重型模锻设备与工艺方面的研究。沿着材料成形加工这条主线,从89年开始进行快速成形方面的研究;98年从事生物材料的快速成形从而进入生物制造领域。至今,已形成生物制造、快速成形和重型机器三个方向,均取得很好的成绩。注重学科交叉和学科前沿重视实验和工程应用主要学术成果和业绩如下:

1、首次提出了3D打印最为经典的“离散-堆积”成形原理,并与其它学科交叉形成新的前沿生长点:
(1)它是继“去除成形”(如切削加工等)和“受迫成形”(如铸、锻等)后的新型成形原理与方法。
(2)据此提出离散-堆积平台(软、硬件系统)构想,完成可实现多种RP、RM工艺的多功能快速成形系统(实验设备)在此基础上完成单功能和多功能快速成形商品化设备,获国家科技成果二等奖。
(3)离散-堆积成形原理与热致相分离方法相结合可制造具有分级孔隙率的三维结构,用于人体器官修复的组织工程支架之制造。
(4)离散-堆积成形原理与细胞-材料单元的触发固化技术相结合,可按预设计将细胞受控组装成三维结构,通过体外-体内培养,而形成人体器官。

2、生物制造学术研究
颜永年教授将制造科学引入到生命科学领域提出了“生物制造工程”(Organism Manufacturing Eng.)学科概念和框架体系,为制造科学发展提出了一个新方向。将细胞或细胞-材料视作受控组装的微滴,根据离散-堆积成形原理,组装成三维结构,用以探索活体组织、人体器官的修复与制造以及仿生产品的制造。在国家863,清华985和清华学科交叉基金支持下,2000年完成MedForm设备,2001年完成生物材料快速成形机,2002年完成TissForm设备、2004年完成细胞直写系统和细胞打印机(Cell Printing),建立了具有国际先进水平的生物制造工程实验室。
二、西北工业大学黄卫东团队
    黄卫东教授是国内最早从事金属3D打印科学研究的学者。1995年,黄卫东教授产生了一个关于快速成型技术的新构思:把3D打印技术和同步送粉激光熔覆相结合,形成一种新技术,用于直接制造可以承载高强度力学载荷的致密金属零件。2001年,黄卫东团队申请了中国第一批关于激光立体成型的源头创新专利。至今已获授权激光立体成形的材料、工艺和装备相关的国家发明和实用新型专利12项。
     为国产大飞机C919制造中央翼缘条,是黄卫东团队利用金属3D打印技术在航空领域应用的典型。黄卫东教授介绍,作为机翼的关键部件,以我国现有制造能力无法满足需求,如果向国外采购,势必影响大飞机的国产化率。西工大与中航商飞合作,应用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题。目前,激光立体成形制造成本与国外锻压制造成本差不多,最重要的是形成了具有自主知识产权的特色新技术。目前,这项技术在航空航天发动机等关键部件的制造上也得到了运用,并为多家航空航天企业提供了达到国际先进水平的制造装备。

研究领域:
1. 凝固与晶体生长理论:重点从基本原理的角度揭示凝固与晶体生长过程显微组织形成规律及其与传输过程和界面反应的关系,目标是对凝固与晶体生长行为进行精确定量的描述和预测。
2. 激光加工技术:包括激光表面改性,激光焊接和激光成形,重点发展致密金属零件的快速无模自由成形技术。
3. 铸造技术:主要针对高性能大型复杂薄壁铸件的精密成形发展调压铸造工程化设备和技术。
4. 先进材料开发:高质量低成本镁合金,有机非线性光学晶体生长,锂钒系锂离子电池正极材料。

黄卫东团队经过二十年的潜心科研,将激光立体成形相关理论编辑成金属3D打印领域唯一代表性的著作《激光立体成形》,并由西北工业大学大学出版社出版。书中的很多科研理论都是属于开创性理论成果,对科学研究具有很高的指导意义。比如书中第一次提出并详细阐述了金属在3D打印过程中存在的CET转变现象,工艺参数对金属成形特性的影响等多种经典理论模型等,下面会配有图示注解。
三、西安交通大学卢秉恒团队
    卢秉恒是我国3D打印领域的第一个院士,卢院士从1993年在国内率先开拓光固化快速成形制造系统研究,开发出具有国际首创的紫外光快速成型机及有国际先进水平的机、光、电一体化快速制造设备和专用材料,形成了一套国内领先的产品快速开发系统,其中5种设备,3类材料已形成产业化生产,对提高我国制造业竞争能力及迎接入关挑战起到重要作用。

科研方向:
IC制造装备及纳米制造、激光快速成型制造、制造业信息化
为了发展我国的先进制造技术,国家在西安交通大学成立了快速制造国家工程研究中心(NERC-RM),依托西安交通大学的人才与技术优势建立的国家级先进制造技术创新平台。而西安瑞特快速制造工程研究有限公司则是工程中心的产业化应用的依托公司,由卢秉恒院士出任董事长。另外,为了实现3D打印的产业化应用,西安交通大学卢秉恒院士联合西北工业大学黄卫东教授在陕西省政府的支持下,强强联合,在渭南成立了3D打印创新研究中,目的就是致力于推动3D打印的产业化。
四、北京航空航天大学王华明团队
    王华明团队是国内专注金属3D打印的科研团队之一,由于背景的特殊性,主要围绕大飞机等国家重大专项及重大装备制造业发展的战略需求,研制出代表着先进制造技术发展方向、在重大装备制造中具有重大应用价值的“高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术”,使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术,并实现装机应用的国家。
2016年,王华明当选为中国工程院院士。

研究方向:
1.提出“激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层”研究新方向,研究出Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能优异并同时具有“反常磨损-载荷特性”、“反常磨损-温度特性”、“不粘金属特性”等性质的过渡金属硅化物多功能涂层材料新体系10余个,系列研究论文被《Advanced Coatings & Surface Technology》国际期刊“专题报道”;
2.在对高推重比航空发动机关键摩擦副零部件高温高速“超常”摩擦学行为深入研究基础上,研究出含碳量高达9~12%的“激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温自润滑特种耐磨涂层新材料”,在我国某新型航空发动机关键热端高温耐磨运动副零部件上得到成功应用,获“国防科学技术奖”二等奖;
3.在对钛合金非接触激光熔化冶金晶体择优生长特性深入实验与理论研究的基础上,发明“定向生长柱晶钛合金激光区域约束熔铸冶金材料制备与发动机叶片等复杂零件激光直接成形新技术”,钛合金高温持久寿命提高10倍以上;
4.突破飞机钛合金等高性能金属结构件激光快速成形关键技术及关键工艺装备技术,激光快速成形BT20钛合金机身关键结构件通过装机试飞前构件全部地面考核并已通过装机评审即将完成实际装机应用;将“合金超纯净精炼”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先进高温合金制备技术与“激光快速成形技术”有机融合为一体,提出“超纯净径向微细柱晶梯度组织高性能高温合金涡轮盘”新思路及其近终形零件激光直接成形制造新技术,成功制造出直径达450mm的超纯净径向微细柱晶梯度组织高性能高温合金涡轮盘件;
5.发明了“水冷铜模激光熔炼炉”及难熔、难加工、高活性金属材料激光熔铸材料制备与零件直接成形新工艺”,成功实现W等难熔合金及W/W5Si3等难熔金属增强超高温“原位”复合材料及其零件的激光熔铸冶金制备与成形制造,为难熔难加工高性能合金材料的制备与复杂零件成形制造找到了一条新的途径;
6.发现“高Jackson因子小面晶体”光滑液-固界面及台阶生长机制对凝固冷却速度及界面过冷度的高度不敏感性,对在经典凝固理论中被广泛接受的“随凝固冷却速度或界面过冷度的增加、小面晶体液/固界面结构将由原子尺度光滑向原子尺度粗糙转变、生长机制由侧向生长向连续生长机制转变”经典凝固理论“著名推论”的适用范围进行了合理补充。
五、华中科技大学史玉升团队
    史玉升教授是材料成形与模具技术国家重点实验室副主任,中英先进材料及成型技术联合实验室副主任,建立了粉末材料激光快速成形技术的学术体系及集成系统,在国内外200多家单位得到广泛应用,取得了显著的经济与社会效益。
科研成果:
    近年来,在国家863和自然科学基金等项目的资助下,围绕粉末成形(包括选择性激光烧结快速成形、选择性激光熔化快速成形、激光/等静压复合近净成形)、生态农业滴灌节水产品快速开发等领域的关键技术和基础理论开展了系统的研究。建立了选择性激光烧结快速成形技术的成套学术体系与系统,在国内外得到广泛应用,取得了显著的经济和社会效益;继德国后,在国内率先研制成功了采用半导体泵浦和光纤激光器的商品化SLM装备,为复杂精细金属零件/模具的直接快速成形提供了新的制造模式和手段;提出了将激光粉末快速成形与等静压技术复合起来近净成形制造高性能复杂结构零件的新思想;提出了随形冷却水道精密注塑模数字化设计制造的新原理;开创了节水产品低成本快速开发理论与方法,并得到广泛应用,经济效益明显,社会效益尤为显著。 部分理论成果在14种国外著名期刊和42种国内核心和重要期刊,以及一些重要的国际学术会议上发表,其中SCI收录25篇,EI收录60篇,ISTP收录7篇,特邀报告和讲座10次,他引200余篇次;研究成果还被各种专著和教材大量采用,并被拍成科教片,在中央电视台科技频道播放,在社会上引起了很大的反响,得到了国内外学术同行的高度评价和认同;获发明专利4项,受理发明专利25项。对相关学科的发展起到了重要推动作用,在学术上达到了该研究领域的国际先进水平,部分具有国际领先水平。

    上述五大科研团队,每一个科研团队都有各自的重心,但又有所差异。相比于其他方向,金属3D打印技术被看做难度系数最高的打印技术,其应用范围最广,潜力最大。上述5个团队中也仅有2个专注于金属领域的3D打印,结合传统的理论知识模型,我们对金属3D打印中存在的CET转变及工艺参数对材料成形特性的影响做一次成果分享,具体如下:
(1)金属3D打印经典CET转变理论

形成等轴晶,柱状晶与成分过冷的关系

金属在打印过程中,具有点状熔池的特点。熔池底部温度梯度最大,随着熔池高度的增加,熔池温度梯度逐渐递减。故在熔池底部成形具有外延生长的柱状晶。在熔池表层存在空气对流,熔池向各方向散热速率相平衡,易形成等轴晶。由于不同合金的物理特性不同,不同合金的吸热和散热速率不同,形成的的等轴晶区域也不同。

(2)工艺参数对成形特性的影响

下图是金属3D打印不同工艺参数对金属成形性的影响,其中P是激光功率,V是扫描速度,d是光斑直径,H为单层厚度。

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