西北工業(yè)大學——國內最早研究，應用金屬3D打印的高校

1995年，黃衛(wèi)東在科研中產生了關于快速成形技術的一個新構思：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合，形成一種快速成形高性能致密金屬零件的新技術，用于直接制造可以承載高強度的力學載荷的金屬結構件。黃衛(wèi)東注意到，當時“快速成形”=“快速原型制造”，但兩者的內涵其實并不相同。增材制造作為一種快速成形原理，沒有理由說它只能用于原型制造，而不能制造可以直接承載高強度力學載荷的金屬結構件。

　　但當黃衛(wèi)東同快速成形領域的專家們交流構思時，專家們卻是一致地表示懷疑，不相信快速成形技術可以制造像鑄件和鍛件那樣高力學性能的致密金屬零件！黃衛(wèi)東根據自己的專業(yè)知識，堅信采用同步送粉激光熔覆技術完全可以做出力學性能非常高的金屬零件。于是，他安排博士研究生李延民開始進行激光立體成形的技術基礎多層激光熔覆的探索性研究。初步結果令人鼓舞，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構，說明材料結合得非常好，確實形成了一個致密的整體。

　　1997年，航空科學基金首次設立重點項目，黃衛(wèi)東教授題為“金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學性能研究”的項目申請通過函評，在會審會上，黃衛(wèi)東的激光立體成形新設想，在評審組長，中國著名激光焊接專家左鐵釧教授的力挺下得以通過。同年，激光定向凝固研究項目獲得國家自然科學基金的資助。這是中國在激光立體成形領域最早的正式立項的科研項目。李延民以激光立體成形作為研究內容的博士論文讓他在2001年獲得博士學位，成為中國第一位專門研究激光立體成形技術的博士。畢業(yè)后即被美國GE公司中國研究中心招募，為該中心創(chuàng)建了激光立體成形技術研究部門。

　　2000年以后，863計劃、973計劃、國家自然科學基金重點項目等也開始對激光立體成形立項支持。2001年，黃衛(wèi)東團隊關于“高性能復雜金屬零件的激光快速成形技術”的研究項目申請獲得國家863計劃的支持。

　　863項目的研究成果，很快就在我國新型航空發(fā)動機的研制中做出重要貢獻。到該發(fā)動機裝機試車的時間節(jié)點時，采用鑄造技術研制的一個關鍵零件始終未能合格，使得發(fā)動機無法按時裝機試車。利用863項目研究所獲得的技術成果，黃衛(wèi)東團隊采用激光立體成形技術研制的零件保證了發(fā)動機的裝機試車。

　　2001年，黃衛(wèi)東教授團隊申請了中國第一批關于激光立體成形的源頭創(chuàng)新專利。至今已獲授權激光立體成形的材料、工藝和裝備相關的國家發(fā)明和實用新型專利12項。

　　2002年和2006年，西工大與中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)院合作，先后獲得863計劃的連續(xù)支持，開展口腔金屬修復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體已通過臨床試用，激光成形制備的鈦/生物陶瓷梯度復合材料也通過了動物植入測試。激光立體成形技術在醫(yī)學領域的應用，是黃衛(wèi)東和他的團隊所看好的下一個研究重點。實際上，這項工作早在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他的幾個博士研究生到實驗室探討口腔醫(yī)學與材料加工領域的合作機會。黃衛(wèi)東提出的激光立體成形的技術構思引起了王忠義教授的高度興趣。當他的一位博士生高勃完成博士學位論文之后，王忠義就建議他到西北工業(yè)大學作博士后研究工作，由此啟動了長達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。

　　航空航天和大型機械裝備關鍵零件的高性能修復，是激光立體成形技術的又一個重要應用領域。2003年，黃衛(wèi)東教授到成都飛機公司去進行有關激光立體成形的學術交流。成飛科技部的部長說，我們更關心高端零件的修復。在飛機零件的加工過程中，不可避免常常因為各種原因形成的零件缺陷而導致報廢，由于飛機關鍵零件對性能可靠性的要求極高，因此一般不允許修復使用。一些大型零件的價格往往上百萬元或數百萬元，其報廢導致的經濟損失極為高昂。更為要緊的是，有的關鍵零件的加工周期很長，重新制造將需要很長的時間，往往引起飛機研制進度拖延。因此，如果有高性能修復技術能使這些零件起死回生，將是極有價值的。成飛迅即立項，委托實驗室研究飛機大型關鍵零件的激光修復。由于激光修復技術的價值已得到證實，成都飛機公司、西安航空發(fā)動機公司和某飛機修理廠都已購買了西工大為他們的重要產品專門研制的激光修復設備。其中有的設備可以修復數米大的飛機零件。

　　裝備技術是激光成形團隊一個極為重要的研究內容。先進的技術離不開裝備的支持，技術的成熟性最終要以工藝和裝備的完整性和成套性來體現。黃衛(wèi)東團隊從研究伊始就非常注重激光立體成形設備的研發(fā)。從最初只是研制實驗室必不可少的裝備，到提供工業(yè)企業(yè)商用。2007年，研制出國內首套商用LSF-型激光立體成形制造裝備，迄今已為中國航天科工集團、西安航空發(fā)動機公司、成都飛機制造公司等5家國內外企業(yè)提供商用激光立體成形與修復再制造裝備。目前國際上能夠提供產業(yè)使用的激光立體成形裝備的代表性公司有美國的Optomec公司，POM公司，德國的Trumpf公司，國內僅西北工業(yè)大學提供了商用裝備。一家國際著名激光加工裝備制造公司的銷售人員說：“看來我們只能放棄與你們競爭，轉為合作。”中國商飛與實驗室的合作，就是緣于吳光輝總設計師在航天科工集團看到實驗室研制的激光成形裝備。

　　裝備研究是凝固技術國家重點實驗室最重要的研究傳統(tǒng)之一，凝固技術國家重點實驗室目前80%以上居于國際前沿的先進裝備都是實驗室人員獨立研發(fā)出來的。不過，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、以及材料送進方式等，都對裝備在系統(tǒng)設計和制造方面提出了非常高的要求。為了解決這些問題，團隊成員分工協(xié)作，一遍遍地查資料，一遍遍地做測試，一遍遍地檢查，一點點地琢磨，常常為了一個問題的解決通宵達旦地工作，最終硬是憑著不懈的努力，把一個個難題啃了下來。就拿材料送進系統(tǒng)來說，初看似乎是一個簡單的東西，把粉末送出來就行。但是對于激光立體成形來說，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，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，并準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。開始的時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，在成形過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，團隊里一個原來搞航空發(fā)動機氣動設計的人員在做實驗時發(fā)現了這個問題，指出送粉噴嘴必須要做氣動設計，才可能控制粉末束的流態(tài)。為此，大家啃起了氣動原理資料，學習從發(fā)動機氣動原理到高速風洞的流道設計的相關知識，找到了噴嘴設計的氣動原理。經過了一次次的失敗，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到了國際先進水平。像這樣刻苦攻關解決的問題還包括過程監(jiān)測和反饋控制系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、成形CAPP/CAM及集成控制軟件等。所研制的裝備能夠實現各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋯合金和鋁合金的復雜結構零件的無模具、快速、近凈成形以及修復再制造。

　　到2007年，黃衛(wèi)東與團隊骨干合作撰寫并出版了本領域中國首部專著《激光立體成形》，這也是國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、技術與裝備獲得陜西省科學技術一等獎。