主题：北航科技进步一等奖和炒作的3D打印技术 -- nua

中国高能束焊掌门人获颁焊接领域的最高学术奖

2013-10-10 09:36

科技日报

　　巩水利：当代高能束焊掌门人

　　科技追梦人

　　32年前，一个17岁的农家少年从山西运城来到沈阳工业大学，懵懵懂懂地学起了焊接专业。

　　32年后，2013年6月24日，伦敦。当年那位懵懂少年，经过120多个国家4000多会员单位推荐提名，一路披荆斩棘，站在剑桥大学国王学院讲台，面对来自世界各国的240余名专家的眼光，获颁英国焊接研究所TWI2013年度布鲁克奖，成为继中国工程院院士关桥之后，第二位获得该奖项的华人。

　　这是焊接领域的最高学术奖。

　　他就是中航工业北京航空制造工程研究所副总工程师，高能束流加工技术重点实验室常务副主任巩水利。

　　“他接过了老一辈科研人员的旗帜，斐然的学术成就及超前的眼光，使之成为当代高能束焊掌门人。”所长张军这样点评巩水利。

　　激光焊接：站在了国际最前沿

　　“当年接到大学录取通知书，一看焊接专业，满脑子想的都是村里的烙铁匠。”一心想学物理的巩水利几乎想放弃，直到坐在课堂，才知道焊接并不简单。

　　经巩水利的科普，记者得知，熔化焊接仅热源就有多种变化，从最原始的炉火发展到电弧焊，氧气-乙炔焊，氩弧焊，CO2保护焊等多种，今天，焊接热源又发展到高能量密度的束流，如激光束、电子束、等离子束等。

　　高能束流加工技术被誉为“二十一世纪的加工技术”，是当今制造技术发展的前沿领域，并将为材料加工和制造技术带来革命性变化。

　　2002年，37岁的巩水利，持焊接专业博士学位，加入这个团队，很快被任命为实验室常务副主任。

　　在研究所的大力支持下，巩水利很快与同事确立了三个重点研究方向，即高能束流焊接与去除技术、高能束流表面工程技术、高能束流增材制造技术。

　　一边明确方向，一边招兵买马。

　　一批更年轻的才俊陆续加入方兴未艾的高能束流加工技术重点实验室。

　　没有设备，便自行研制;没有路径，便无数次摸索试验。

　　瞄准国内国外，走出去，请进来。

　　如今，当初确立的三个研究方向均取得长足进步：率先实现了大型复杂钛合金结构激光焊接并应用于先进飞行器整体化、轻量化长寿命和高可靠制造，使激光焊接技术站在了世界前沿，达到国际领先水平;在国内率先开展电子束熔丝成型技术研究和大型复杂金属结构激光精密选区成型制造技术研究，并将这两项技术成果首次应用于航空关键结构的制造，使该技术达到国际领先水平;积极开展表面结构功能一体化制造、超快激光制造技术研究等国际前沿技术。更重要的是组建了一支素质优良、结构合理的学术梯队。

　　增材制造(3D打印)：要干就干最好的

　　要干就干最好的。在锁红波眼里，这是巩水利使用频率最多的一句话。

　　目前已是增材制造负责人的他，见到记者连说了几个“没想到”。

　　锁红波说，七年前开启电子束增材制造前沿技术研究时，目标仅是把其当成技术储备，做一些基础性研究，却没想到，这一技术仅七年就用到航空制造上了;没想到的是，当初若不是巩水利超前的指标要求，今天就无法满足国内航空器制造的要求了;没想到，我国在航空金属结构增材制造技术应用研究方面迅速走在了世界前列。近一两年，一个名词“3D打印”横空出世，风靡世界。这个时髦的热词，学名为“增材制造”。巩水利，则是中国航空金属结构增材制造技术发展的重要推手和见证人。

　　实验室里，堆放着一些奇异造型的金属结构件。拿着一块由无数细小“格栅”孔组成的“鼻梁”状构件，巩水利对记者说：“这种复杂结构，靠传统加工方法很难实现。而这就需要‘3D打印’了。”

　　实验室设备上的屏幕显示着这样的影像：一层金属粉在激光束扫描下形成复杂的二维图形，旋即又铺上一层金属粉再经过激光扫描熔化，如此周而复始。似CT扫描，把三维立体结构变成二维结构;也像打印，在“纸面”上打印上图案后，铺上一层纸。

　　以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合、直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是“增材制造”领域的重要分支，多用于工业领域。

　　在10年前一次国际学术研讨会上，巩水利发现了“增材制造”技术。具有敏锐嗅觉的他，感觉这必是航空工业未来发展所需的一种制造技术。为保持实验室领先的竞争力，他旋即着手创建这个方向的基础研究。

　　“当时很多人根本不知道‘3D打印’是什么东西，人、设备更是无从谈起。”在巩水利的指导下，锁红波在一台老旧电子束焊接设备上，启动了艰难的“增材制造”基础研究。

　　彼时，这种尖端前沿技术各国都正在起步。

　　2008年，博士毕业的李怀学也加入到实验室，开始启动激光快速成型研究方向。李怀学说，增材制造之所以推动这么快，与巩总果断超前的决策密不可分。“最初做原理样机确定指标时，参考国外250mm规格，我们大胆地制定了280mm规格。报告送给巩总，不仅没得到夸奖，却得来一句话：应该做500mm规格。”

　　“做科研不仅要盯最前沿，而且要引领最前沿。如果觉得跨度太大，至少也要定350mm，再低就赶不上技术发展了。”巩水利这番话至今深深印刻在李怀学脑海。

　　经历了四年多的艰难探索，第一个大型结构件终于在2012年4月22日制成。

　　致力应用：我就是名推销员

　　拥有诸多学术头衔的巩水利还是一名优秀“推销员”。“研发的成果必须要尽快用到航空制造上，哪怕是基础预研也要有针对性。这样不仅能紧跟世界前沿技术，还要力推这些技术的快速应用。”这是巩水利的宗旨。

　　无论去哪里，巩水利随身带的电脑包里总会装着许多宝贝，即实验室出的实验品，逢人就推介，遇会就展示。他还自豪地说：“我就是名推销员。”

　　2010年底，在参加中航工业业务会时，一位设计单位总工程师介绍新产品设计，说关键地方出现问题。为保证飞机性能，必须采用大型复杂金属结构，传统制造技术遇到挑战几乎无法实现，一度成为研制的重大技术瓶颈，必须另辟蹊径。针对这一技术难题，巩水利意识到采用增材制造技术能够解决，边掏出包里一个“3D打印”小实验件给那位总工程师看，边说：“我们重点实验室拥有能够解决问题的激光增材制造技术。”

　　半年后，这一新技术便实现了工程应用。

　　“实际上，巩总对新技术的发展十分敏锐，眼光特别超前。不仅是李怀学的‘格栅’，包括电子束增材制造理念、激光熔丝窄间隙焊等，与巩总的大力推动有很大关系。”实验室支部书记孙梅告诉记者。

　　十几年来，在巩水利的指挥下，新的研究方向总是围绕着航空制造装备。新成果实验一出，就被巩水利快速地推销出去。“你在研究，别人也没停步。别人有盾，你就要有矛。所以我们不仅要看得准，更要用得快。”巩水利果敢而坚毅。

　　巩水利又把眼光瞄向了高能束流表面工程技术。“这是高能束流加工技术中一个重要的组成部分，这一技术应用可使产品防冰减阻，还可延长装备的使用寿命。”被巩水利任命为这一项目负责人的马国佳，正踌躇满志。(记者 矫阳)

2013年02月09日 11:08

来源：中国航空报

电子速快速成形技术，是指利用计算机把零件的三维CAD模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，以高能量密度的电子束作为热源，按照预定的加工路径，在真空室内熔化送进的丝材，逐层堆积，最终实现致密金属零件的近净成形直接制造，其优势是实现大型复杂金属零件的直接快速制造，与传统去除成形和体积成形技术思想明显不同。在进行大型整体金属结构的制造时，电子束快速成形是对现有铸造、锻造等制造技术的补充而非取代，将为飞机结构设计师提供一种全新的解决方案，尤其是在研制阶段及小批量生产时，其快速反应、无需模具的优势更为突出。

电子束快速成形技术具有一些独特的优点，主要表现在以下几个方面：研制速度快、周期短、成本低、零件性能好。电子束可以很容易达到几十千瓦级功率输出。对钛合金及铝合金，最大成形速度可以达到15kg/h；电子束快速成形在<5×10-2Pa的真空环境中进行，对处于高温状态的金属材料的保护效果更好，非常适合钛、铝等活性金属的加工；与锻造/铸造+机械加工技术相比，电子束熔丝沉积快速成形技术无需大型铸、锻模具，直接由零件CAD模型转化成近净成形的零件毛坯，无需中间态热处理和粗加工等工序；材料可节省80%～90%，可减少80%的机械加工量，缩短80%以上的生产周期；有效降低成本，对于航空航天领域的昂贵金属材料，如钛合金、铝合金、镍基合金等，成本节约尤为可观；零件内部致密，缺陷率低，钛合金超声波探伤可达AA级标准。

电子束快速成形技术是世界航空制造业的研究热点之一，飞机结构中形状异常复杂的钛合金结构如果采用锻件制造，一方面周期较长，另一方面，锻件毛坯厚度变化很大，难以保证内部质量及力学性能的均匀性；还有一些零件，在设计阶段，结构需要多次修改，而用传统方法难以适应这种快速变化。随着航空制造技术的飞速发展，对零件制造周期及成本的要求越来越高，采用电子束快速成形的方法制造复杂结构钛合金零部件可以大大加快设计-验证迭代循环，降低研制开发成本。

国外从上世纪90年代开始进行电子束快速成形技术研究，美国麻省理工学院与普惠公司进行了高温合金涡轮盘的试制，2000年以后，在航空航天飞行器结构制造方面得到了快速发展。美国航空航天局、波音公司、洛克希德·马丁公司等均参与了相关技术的测试，并计划将该技术应用于空间站、海军无人机、F-35战斗机等型号上，以降低制造成本，缩短研制周期。中航工业制造所从2006年在国内率先开展该技术的研究，经过多年艰苦努力，终于在型号应用上结出了第一批果实，在国内实现了电子束快速成形技术在飞机上的首次应用。

电子束快速成形技术是中航工业制造所重点发展的专业方向之一，受到了各方面高度关注，也被寄予了殷切的希望。中航工业制造所电子束快速成形专业拥有一支充满朝气和激情的年轻研究团队，在中航工业制造所以及高能束流加工技术国家重点实验室的全力支持下，电子束快速成形技术发展十分迅猛。2006年以来，电子束快速成形突破了丝材高速稳定熔凝技术、复杂零件路径优化技术、大型结构变形控制技术、力学性能调控技术、专用材料开发等一系列关键技术，将电子束快速成形技术研究不断推向深入，实现了从技术概念到实现装机应用，从小型原理样机到目前世界领先的电子束成形设备，以及从工艺研究到原材料开发的飞跃，逐步形成了涵盖材料、装备、技术服务全方位发展的态势，取得了瞩目的成绩：电子束快速成形钛合金零件已在飞机结构上实现应用；研制了世界领先的大型电子束快速成形设备；开发了大型整体钛合金零件的电子束快速成形工艺，使中航工业制造所在应用研究及装备开发方面走在了世界先进行列。

为了促进电子束快速成形技术的推广应用，飞机中一些复杂钛合金零件采用了电子束快速成形技术研制。伴随零件的研制，完成了大量全尺寸解剖件、随试料性能测试，各项性能指标均满足设计要求，充分验证了电子束快速成形短周期、低成本、高质量、不受零件形状限制、设计思路验证快的特点，保证了型号任务的顺利完成。另一方面，围绕项目的研究，开发出了多种快速成形专用合金材料，申请了发明专利，编制了大量技术规范及标准，初步建立了涵盖原材料、成形工艺、后处理及装备的技术体系，使电子束快速成形技术走上了规范化、专业化的发展道路。

随着我国国防科技事业的快速发展，电子束快速成形技术不但在航空航天装备方面，而且在舰船、化工、核能、汽车等领域均具有巨大的应用潜力，发展十分迅速，未来必将有更多应用了电子束快速成形技术的装备出现在捍卫国家利益的前线上。（作者单位为中航工业制造所 锁红波）

探秘中国激光精密增材成形(3D打印)技术原理

2013年02月09日 11:12

来源：中国航空报

为满足极端载荷工况，航空发动机、飞机等武器装备大量采用结构－功能一体化设计的复杂型腔构件，对传统开模具以及去除式制造技术提出新挑战。譬如，轻质点阵夹芯（见图）、空间曲面多孔结构、封闭多流道等复杂构件采用传统制造技术难以实现，而且研制任务重。如何实现新型航空设计的制造和打开其“设计束缚”的枷锁，迫切需要根据3D数模无需模具、快速响应直接制造复杂结构件的增材制造技术。

根据材料在沉积时的不同状态，金属激光增材制造技术可以分为二大类：第一类，金属材料在沉积过程中实时送入熔池，这类技术以激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD）技术为代表，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔池，熔化后逐层沉积，称之为激光直接沉积增材成形技术，该技术只能成形出毛坯，然后依靠数控加工达到其净尺寸；第二类，金属粉末在沉积前预先铺粉，这类技术以金属直接激光烧结（DMLS）、选区激光熔化（SLM）为代表，粉末材料预先铺展在沉积区域，其层厚一般为20～100μm，利用高亮度激光按照预先规划的扫描路径轨迹逐层熔化金属粉末，直接净成形出零件，称之为激光精密增材成形技术。

激光精密增材成形技术原理，是一种基于离散堆积成形思想的先进增材制造技术，无需模具，通过把零件3D模型沿一定方向离散成一系列有序的微米量级薄层，以激光为热源，根据每层轮廓信息逐层熔化金属粉末，直接制造出任意复杂形状的净成形零件，特别适合曲面型腔、悬空薄壁以及变截面等复杂结构制造，无需数控加工，仅需热处理和表面光整零件即可使用。该技术可解决复杂金属构件的难加工、周期长等技术瓶颈，可制造出传统方法无法加工的复杂零件，具有大幅减少制造工序、缩短生产周期、降低成本等特点。

激光精密增材成形技术的发展历程从低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl R.Deckard在1986年最早申请专利，1988年研制成功了第一台激光增材制造设备，由DTM公司将其商业化，推出SLS Model125成形机，推出了Sintersation系列成形机。随后德国、英国、中国等国家成立一批激光粉末烧结公司，推出各自的烧结设备。

21世纪之前，激光精密增材成形主要用于蜡模、砂模等制造，为精密铸造提供模型；为成形金属零件，早期采用低熔点金属或有机黏结材料包覆金属材料，在加工过程中，低熔点材料熔化或部分熔化，但熔点较高的金属材料并不熔化，而是被熔化或部分熔化的低熔点材料包覆黏结在一起，从而形成类似于粉末冶金烧结坯件一样的原型。这种原型表面粗糙，疏松多孔，力学性能差，常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理以后才能使用。由于受CO2激光、YAG激光束流品质限制，前期金属激光精密增材成形致密度较差，难以满足复杂薄壁结构制造需求。

随着高亮度光纤激光出现，国外金属激光精密增材成形技术发展突飞猛进。近几年来，英国、德国、法国、美国、瑞典等国外发达国家先后开发GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4等合金金属复杂结构的激光精密增成形设备，并开展应用基础研究。国外著名罗罗、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等航空航天武器装备已利用此技术开发商业化的金属零部件。

中航工业制造所激光增材制造专业建立上世纪90年代后期，最初主要开展有机材料和覆膜陶瓷的激光快速原型技术研究。进入21世纪，尤其是“十一五”以来，激光增材制造技术获得了长足发展，研究团队不断发展壮大，重点突破了金属零件激光精密增材成形技术和装备研究。面对激光精密增材成形过程粉末球化、零件变形、设备故障、工艺不稳定等各种技术难题，激光增材成形团队针对各个难题分析其原因，抓住主要因素，从材料、软件、设备和工艺方面采取措施，历经磨难，坚韧不拔，研制出国内最大的激光精密增材成形的空间曲面多孔金属件。该团队几乎从零开始，突破了原材料、成形工艺、后续热处理、表面处理等零件整个研制工序，与设计单位共同编制和制定了金属零件的激光精密增材成形的材料和制件技术条件以及相关工艺规程和规范，为该技术在型号产品上应用奠定了坚实基础。

激光精密增材成形为解决复杂金属件制造瓶颈提供一种新方法。譬如，多孔结构件曾采用电加工、数控切削等多种传统制造技术进行试制，无法满足设计要求，已成为制约研制进程的制造技术瓶颈。针对该零件制造技术难题，中航工业制造所一边解决激光选区熔化成形设备关键难题，一边解决软件、材料和工艺等方面关键技术难题，建立国内最大的金属激光精密增材制造平台，解决了制约型号研制进程的制造技术瓶颈。激光精密增材成形技术打开了“航空设计”受制造束缚的枷锁。

产品创新是我国制造行业可持续发展的基础，而精密增材成形技术对新产品的开发速度和质量将起到十分重要的作用。激光精密增材成形技术开创了一个崭新的设计、制造概念。它以相对低的成本、高速造型、可修改性强的特点，独特的工艺过程，为提高产品的设计质量、降低成本、缩短设计及制造周期，为将产品尽快推向市场提供了有效的方法，尤其适合于复杂形状的零件。激光精密增材成形技术在航空航天、核工业、兵器等新型号研制、现役型号技术升级具有广阔的应用前景，还可应用于电子器件、生物植入、能源等我国战略新兴产业领域，对加快我国产品升级换代、坚持自主创新和转变经济发展方式具有长远战略意义。 （中航工业制造所 李怀学）

近日中国科学报记者从中科院西安光学精密机械研究所获悉，依托该所科研成果孵化成立的西安中科梅曼激光科技有限公司结合市场需要，在原有研发基础上实现了激光器关键技术创新突破，成功推出千瓦级光纤输出半导体激光器。 是不是王教授要的东东？填补了我国高功率光纤激光器的空白。

http://guba.eastmoney.com/look,600765,6019086606.html

公司公告披露，中航激光已明确的生产任务2~3型军机零部件制造；每型军机产量：2012~2014，3~5架/年，2015及以后，10架/年；单架制造任务：起落架 3 大构件 2640kg；机身主起对接框 1000k；主承力加强框780kg；起落架对接框 100kg；合计重量 4520kg 。

以上仅仅是中航激光的部分军机订单，C919、新舟、刚试飞的运20的3D打印应用不包括在内，也未包括其它钛合金增材制造，中国钛合金年需求约 50000 吨。全球航空领域对钛合金的使用比重超过 50％。很显然，如介入民用，中航激光的钛合金增材制造规模要若干倍上述，预计个十倍也不为过，因为中航激光持有的技术具有垄断性、独步世界，其低成本、高性能优势有强大的市场生命力。2011年王华明实验室拥有4台加工设备，单台产能对应产值在7000万元以上，总产值可达到2.8亿元以上；2012年，设备扩充至10台，产能达到7亿元以上。可以预计，中航激光2013年会迎来业绩的爆炸期。

激光3D打印并不像您所想象得那么简单。

从原理上来说，非常简单，就是用激光烧熔物质，在三维上建立起来就可以了。但其中的关键技术并不是激光本身，而是采用的材料配比，和对应的激光特性控制。

从激光方面来说，高功率高光束质量以及精确控制都是已经相对成熟的技术，也许国内还没办法生产像国外的参数的高功率高质量的激光二极管，但在制作激光加工系统来说经验也不比国外差。

难点在于所用的材料配比。这个和所有材料科学一样，材料配比就是重中之重，为什么国内能造那么大尺寸的，国外造不了？难点不是他们没有这种激光器，也不是没有相关的控制设备。而是因为制作的产品要求有极佳的均匀性和晶向性。也就是说，单纯地把材料熔化是不行的，要能够在打印的产品内部所有的地方具有均匀的性质，并且晶向取向要一致。

我曾经替别人审过一篇硕士论文，里边就清晰地显示出激光打印所遇到的问题，比如不均匀，甚至内部有气泡产生；有裂纹，或者没裂纹但是有内应力；晶化方向不一致等。这些任何一种问题的存在，都会对产品的性能有着严重的影响。而这些问题和所用材料的配比，以及激光的功率、烧熔时间、光斑尺寸、以及打印方式，都密切相关。相信只有解决了这些问题，才敢用到大飞机上。而这些都是核心技术，国外解决不了，尺寸就做不大。能做到这些，并成功解决国内亟需解决的问题，我觉得这个奖给得值。

当然我也是外行，如果哪里说错了，还请指正。