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【2018国家科技奖】材料学院史玉升教授团队:化繁为简,3D打印破解制造难题
日期:2019-01-11

■记者 潘梓萌

汽车在路上飞驰,飞机在天空翱翔,舰船在海面航行……这些“钢铁侠”的内部构造十分复杂,零件制造绝非易事。在材料学院,史玉升教授团队数十年如一日,希望用3D打印技术改造和提升传统制造技术,化繁为简,变难为易,解决复杂构造零件的制造难题。

1991年,从原华中理工大学校长、机械制造专家黄树槐主持成立快速制造中心开始,3D打印技术的研究和应用就在我校拉开帷幕。史玉升介绍说,3D打印可以解决许多传统制造技术难以解决的问题。“比如整体成形复杂的铸造型(芯),用3D打印就比传统制造技术来得快,且省钱。”

随着航空航天、汽车等领域高端装备对性能要求的不断提高,其关键零件也逐渐向复杂化、整体化方向发展。团队意识到,铸造是复杂金属零件成形的主要方法,但其传统模具工艺难以甚至无法整体成形复杂铸造型(芯);而3D打印虽然可成形任意复杂结构,但在直接制造金属零件时存在材料种类有限、性能难控制等突出问题。他们的研究面临着新的“拦路虎”。

知己知彼方能百战不殆,多年来的研究基础,让团队很快有了新的解题思路。他们大胆地决定将3D打印和传统铸造工艺结合起来,取其优势进行创新。“用3D打印无模整体成形铸造用的复杂蜡模、砂型(芯)、陶瓷芯,再用数值模拟手段科学确定最优的浇冒口和工艺参数。我们希望通过两者相结合的方式,从而达到高性能复杂零件整体成功铸造的目的。”史玉升介绍说。

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                                                                      记者 刘涵木

这是一个多学科交叉的项目,需要团队成员通力合作。于是,大家化整为零,各自揽了一摊,抓紧干。史玉升教授负责总体技术方案制定,周建新教授负责零件整体铸造数值模拟技术的研发,闫春泽教授负责铸型(芯)3D打印材料的研发,李中伟副教授负责逆向设计、3D打印过程在线测量与形性调控、铸型(芯)及其铸件精度检测技术的研究。团队成员各自发挥所长,一点点啃这块硬骨头。

“我们需要的铸型(芯)材料不仅能3D打印,还要能满足铸造工艺要求,只能根据理论先设计筛选,然后一遍一遍试验。”闫春泽介绍道。史玉升笑着说,多年来,他常常在实验室一呆就是一整天,和团队成员一起见过喻家山早上6点的朝阳,也见过校园夜晚12点的星空,埋头苦钻技术问题的日子过得既辛苦又充实。

经历了铸型(芯)材料及其3D打印工艺研发、铸造工艺优化设计、铸造过程模拟计算、性能评价、应用验证、产业化推广等阶段的反复迭代过程,团队也从最开始的十几人发展到百余人。2018年,团队取得的成果“复杂零件整体铸造的型(芯)激光烧结材料制备与控形控性技术”获得了2018年度国家科学技术进步奖二等奖。此刻,距离90年代初,团队与3D打印的第一次触碰已过去了20余年。

图为史玉升教授在大会现场。

如今,团队创建的高性能复杂零件的整体铸造成套技术,突破了航空发动机机匣和单晶叶片、航天发动机涡轮泵、汽车发动机缸体缸盖等高性能复杂零件的整体铸造难题,支撑了大飞机、新一代重型火箭、高性能轻量化汽车等高端装备的研制。

团队的成果也赢得了国内外专家的赞誉。英国增材制造中心主任R. Hague、国际光学工程学会会士S. Zhang、美国爱荷华大学凝固实验室主任C. Beckermann对团队项目成果分别给出了很高的评价:“材料制备方法可显著提升SLS成形件性能”、“提出了更强大的三维形面测量技术”、“铸造过程自动优化算法大幅提高了铸造数值模拟的有效性”。专家鉴定“总体技术达到国际先进水平,部分指标国际领先”。  技术的研发需要长期坚持,成果的产业化和推广更不能放松。

直到现在,团队负责人史玉升一周恨不得有5天都需要在外奔波,但是他却甘之如饴。他自豪地说,如今他们的成果不仅应用于中国的航空航天、汽车等众多领域,而且还出口国外。

“现在,我们陶瓷激光烧结3D打印装备可以整体成形最大尺寸为1.6米多的陶瓷零件,我们正在讨论最大台面为5米的陶瓷激光烧结3D打印装备的设计方案。等我们把5米台面装备做出来后,就尝试做10米的。”史玉升双手一挥,试图比划一个10米的大圆。说起这些,他的眼睛闪闪发亮,满怀信心和希望。未来,他将带着团队开启新的征程。

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