聚焦「三大獎」 | 華中大史玉升教授團隊：化繁為簡，用3D列印破解製造難題

汽車在路上飛馳，

飛機在天空翱翔，

艦船在海面航行…

這些場景你可能已司空見慣，

但你是否了解這些「鋼鐵人」的內部構造？

例如，飛機發動機的機匣長什麼樣？

它又是如何被製造出來的？

我校材料學院史玉升教授團隊

長期致力於3D列印技術的研究，

他們的研究成果，

剛剛獲得了國家科技進步二等獎。

來聽聽他們如何用新技術破解製造難題吧！

在材料學院，史玉升團隊數十年如一日，希望用3D列印技術改造和提升傳統製造技術，化繁為簡，變難為易，解決複雜構造零件的製造難題。

圖為史玉升教授在大會現場

1991年，從原華中理工大學校長、機械製造專家黃樹槐主持成立快速製造中心開始， 3D列印技術的研究和應用就在我校拉開帷幕。史玉升介紹說，3D列印可以解決許多傳統製造技術難以解決的問題。「比如整體成形複雜的鑄造型（芯），用3D列印就比傳統製造技術來得快，且省錢。」

隨著航空太空、汽車等領域高端裝備對性能要求的不斷提高，其關鍵零件也逐漸向複雜化、整體化方向發展。團隊意識到，鑄造是複雜金屬零件成形的主要方法，但其傳統模具工藝難以甚至無法整體成形複雜鑄造型（芯）；而3D列印雖然可成形任意複雜結構，但在直接製造金屬零件時存在材料種類有限、性能難控制等突出問題。他們的研究面臨著新的「攔路虎」。

知己知彼方能百戰不殆，多年來的研究基礎，讓團隊很快有了新的解題思路。他們大膽地決定將3D列印和傳統鑄造工藝結合起來，取其優勢進行創新。「用3D列印無模整體成形鑄造用的複雜蠟模、砂型（芯）、陶瓷芯，再用數值模擬手段科學確定最優的澆冒口和工藝參數。我們希望通過兩者相結合的方式，從而達到高性能複雜零件整體成功鑄造的目的。」史玉升介紹說。

這是一個多學科交叉的項目，需要團隊成員通力合作。於是，大家化整為零，各自攬了一攤，抓緊幹。史玉升負責總體技術方案制定，周建新教授負責零件整體鑄造數值模擬技術的研發，閆春澤教授負責鑄型（芯）3D列印材料的研發，李中偉副教授負責逆向設計、3D列印過程在線測量與形性調控、鑄型（芯）及其鑄件精度檢測技術的研究。團隊成員各自發揮所長，一點點啃這塊硬骨頭。

「我們需要的鑄型（芯）材料不僅能3D列印，還要能滿足鑄造工藝要求，只能根據理論先設計篩選，然後一遍一遍試驗。」閆春澤介紹道。史玉升笑著說，多年來，他常常在實驗室一呆就是一整天，和團隊成員一起見過喻家山早上6點的朝陽，也見過校園夜晚12點的星空，埋頭苦鑽技術問題的日子過得既辛苦又充實。

經歷了鑄型（芯）材料及其3D列印工藝研發、鑄造工藝優化設計、鑄造過程模擬計算、性能評價、應用驗證、產業化推廣等階段的反復迭代過程，團隊也從最開始的十幾人發展到百餘人。1月8日，團隊取得的成果「複雜零件整體鑄造的型（芯）雷射燒結材料制備與控形控性技術」榮獲2018年度國家科技進步二等獎。此刻，距離90年代初，團隊與3D列印的第一次觸碰已過去了20餘年。

如今，團隊創建的高性能複雜零件的整體鑄造成套技術，突破了航空發動機機匣和單晶葉片、太空發動機渦輪泵、汽車發動機缸體缸蓋等高性能複雜零件的整體鑄造難題，支撐了大飛機、新一代重型火箭、高性能輕量化汽車等高端裝備的研制。

團隊的成果也贏得了國內外專家的讚譽。英國增材製造中心主任R. Hague、國際光學工程學會會士S. Zhang、美國愛荷華大學凝固實驗室主任C. Beckermann對團隊項目成果分別給出了很高的評價：「材料制備方法可顯著提升SLS成形件性能」「提出了更強大的三維形面測量技術」「鑄造過程自動優化算法大幅提高了鑄造數值模擬的有效性」。專家鑒定「總體技術達到國際先進水平，部分指標國際領先」。

技術的研發需要長期堅持，成果的產業化和推廣更不能放鬆。直到現在，團隊負責人史玉升一周恨不得有5天都需要在外奔波，但是他卻甘之如飴。他自豪地說，如今他們的成果不僅應用於中國的航空太空、汽車等眾多領域，而且還出口國外。

「現在，我們陶瓷雷射燒結3D列印裝備的最大台面已經做到了1.7米，可以整體成形最大尺寸為1.6米多的陶瓷零件，我們正在討論最大台面為5米的陶瓷雷射燒結3D列印裝備的設計方案。等我們把5米台面裝備做出來後，就嘗試做10米的。」史玉升雙手一揮，試圖比劃一個10米的大圓。說起這些，他的雙眼閃閃發亮，滿懷信心和希望。未來，他將帶領團隊開啟新的征程。

華中科技大學（ihuster）

文字 / 潘梓萌

編輯/ 郭雨辰