華中科技大學(xué)張海鷗教授帶頭研發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床。曾獲得多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外大獎(jiǎng)，美國(guó)公司3次求購(gòu)被拒，這個(gè)數(shù)控機(jī)到底為什么這么牛？
數(shù)控機(jī)床是什么？
我們都用打火機(jī)燒過(guò)塑料，融化的塑料像液體一樣，可以隨便改變形狀，這就是3D打印數(shù)控機(jī)床最初級(jí)的原理。在20世紀(jì)80年代，日本研究員拿來(lái)兩種塑料加熱成液態(tài)，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備一點(diǎn)點(diǎn)的像擠牙膏一樣擠出個(gè)三維塑料模型。這是最早的3D打印的應(yīng)用。
當(dāng)時(shí)的工藝只能融化塑料做零件，隨著科技的發(fā)展，3D打印數(shù)控機(jī)床慢慢可以融化金屬做零件了，方式和電焊類似，將熔絲融化進(jìn)行焊接。不過(guò)3D打印數(shù)控機(jī)床更加高端，可以融化金屬直接制作需要的零件。前期只需要在電腦上，用CAD等繪圖軟件設(shè)計(jì)好，植入3D打印數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，程序開(kāi)始自主學(xué)習(xí)，并操控機(jī)器手臂進(jìn)行打印，通過(guò)OCR，也就是智能視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的紫外線或者激光校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，自主判斷打印的零件是否存在瑕疵，并進(jìn)行修改。
金屬打印需要高溫，對(duì)于熱源的溫度要求就比較苛刻，一般可以用激光加熱、光子束加熱、等離子加熱，但金屬融化過(guò)程中容易受到溫度、大氣、環(huán)境等諸多因素的影響。造出來(lái)的零件會(huì)特別軟，俗稱金屬抗疲勞性嚴(yán)重不足，而且這樣造出來(lái)的零件會(huì)存在裂紋、疏松、氣孔、或者壓根不能成型，這就是一般3D打印數(shù)控機(jī)床的毛病，只能造個(gè)外形沒(méi)有“內(nèi)涵”。那如何才能解決這個(gè)問(wèn)題？關(guān)注我，了解更多中國(guó)科工的真相。
考慮到現(xiàn)在3D打印數(shù)控機(jī)床的局限性，張海鷗教授團(tuán)隊(duì)研究了一臺(tái)鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床。目的是制造出有外形又有“內(nèi)涵”的零件，鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床融化金屬使用的是電弧產(chǎn)生的等離子體，優(yōu)點(diǎn)是光源便宜，溫度高，但是缺點(diǎn)是溫度比較難控制，等離子容易把金屬融化成液態(tài)，成不了型。
一般情況下可以通過(guò)降低電流，使等離子體的溫度下降，進(jìn)行鑄造。但是打印速度也會(huì)下降，張教授決定不給焊槍降溫，而是給融化的金屬降溫，在焊槍口，加裝一套智能降溫系統(tǒng)，通過(guò)OCR和溫度感應(yīng)設(shè)備，盯著整個(gè)打印過(guò)程，有什么變化，馬上給金屬進(jìn)行降溫或者升溫，完成鑄造過(guò)程。
有了外形還不夠，因?yàn)檫@樣的零件比較軟，根本不具備功能性，而古時(shí)候鐵匠鍛刀，都需要拿錘子砸擊，提高金屬的韌性，張教授想到的“錘子”是激光脈沖，脈沖可以產(chǎn)生動(dòng)能，進(jìn)行鍛造，接著只需要增加一個(gè)刀具。就這樣，可以進(jìn)行切削和打磨，把鑄造、鍛造、切銑為一體的3D打印數(shù)控機(jī)床被制造出來(lái)了。
但考慮到有些零件是合金，需要對(duì)兩種及以上的金屬融化焊接，兩種金屬的熔點(diǎn)肯定不一樣，利用智能降溫系統(tǒng)，增加了智能輔助系統(tǒng)，調(diào)整系統(tǒng)的靈活性，終于制造出高精度的鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床。
聽(tīng)著很厲害，但你知道嗎，我們國(guó)產(chǎn)機(jī)床的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。
中國(guó)數(shù)控機(jī)床如何邁向高端?
在張海鷗教授的3D打印數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)之前，我們傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床和歐洲產(chǎn)品存在代差，目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床企業(yè)主要在中低端市場(chǎng)，低檔數(shù)控機(jī)床占有率約85%，中檔數(shù)控機(jī)床占有率約66%，高檔數(shù)控機(jī)床僅約7%，也就是，93的高端機(jī)床市場(chǎng)都被外國(guó)產(chǎn)品占據(jù)了。一旦西方斷供，我們就會(huì)面臨卡脖子的局面。要知道，我國(guó)可是第一大機(jī)床市場(chǎng)，很多外國(guó)機(jī)床企業(yè)在中國(guó)賺得盆滿缽滿，但我們國(guó)家的企業(yè)卻很艱難。關(guān)注我，了解更多中國(guó)科工的真相。
數(shù)控機(jī)床最核心的零件就是電動(dòng)主軸，最優(yōu)秀的企業(yè)在德國(guó)、瑞士和英國(guó)，機(jī)器臂的打印和切削都是通過(guò)滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，控制著傳動(dòng)精度，對(duì)機(jī)床上的刀具控速，機(jī)械臂的移動(dòng)導(dǎo)軌則是控制著加工精度，德國(guó)高級(jí)數(shù)控機(jī)床的誤差一般小于0.001mm,而我們大概在0.002mm，雖然看著差不多，但精密加工是不會(huì)允許這樣一個(gè)看起來(lái)非常小的誤差存在的。
這幾年我們數(shù)控機(jī)床的技術(shù)發(fā)展很快，主要一個(gè)原因就是制造業(yè)的高速發(fā)展，讓我國(guó)成了世界加工廠，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，國(guó)外車床的價(jià)格居高不下，龐大的市場(chǎng)需求促使很多國(guó)企和民企開(kāi)始研發(fā)機(jī)床，低端的數(shù)控機(jī)床便宜，發(fā)展最快，因?yàn)橛玫米疃?，反饋得也多，所以發(fā)展迅速。
中端市場(chǎng)曾一度被日本發(fā)那科壟斷，但是這幾年隨著我國(guó)產(chǎn)品的升級(jí)，加上國(guó)產(chǎn)的價(jià)格比日本的還要便宜，很多企業(yè)開(kāi)始選擇國(guó)產(chǎn)品牌，用得多升級(jí)就快，我國(guó)中端機(jī)床在世界很有競(jìng)爭(zhēng)力。
高端市場(chǎng)拼的就是底蘊(yùn)，包含了冶金工藝、測(cè)量器件、數(shù)控銑頭、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等，高端市場(chǎng)都被歐洲壟斷，但是我國(guó)高端機(jī)床也在不斷進(jìn)步，原因就是國(guó)家級(jí)項(xiàng)目比較多，這些大項(xiàng)目不敢用國(guó)外的產(chǎn)品，所以也促進(jìn)國(guó)內(nèi)高端機(jī)床的發(fā)展，但區(qū)別是穩(wěn)定性和制造速度，這和德國(guó)還有較大差距，我們生產(chǎn)的殘次品多，效率低，用于軍工是可以的，因?yàn)檐姽ぎa(chǎn)品是不考慮成本的，但是商用就不行了。
低端沒(méi)利潤(rùn)、中端又內(nèi)卷，高端沒(méi)市場(chǎng)，干著最辛苦的活兒，卻拿著最少的錢(qián)，這就是現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)機(jī)床面臨的困境。鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床，能改變這種局面嗎？
作為一個(gè)靠譜的科普作者，我可以告訴大家，鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床的橫空出世，確實(shí)讓我們?cè)诟叨藬?shù)控機(jī)床領(lǐng)域有了一枚特別的定海神針，因?yàn)閭鹘y(tǒng)領(lǐng)域我們確實(shí)很難超車，尤其是德國(guó)、意大利還有瑞士在高端機(jī)床牢牢占據(jù)頭部市場(chǎng)，日本所謂的“工匠”精神，也沒(méi)有讓他們的技術(shù)超越歐洲，甚至被我們甩在身后。
現(xiàn)在有了這款3D打印數(shù)控機(jī)床，我們實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。和傳統(tǒng)高端數(shù)控機(jī)床最大的區(qū)別是，數(shù)控機(jī)床做的是減法，把模具切削成自己需要的產(chǎn)品，但是3D打印數(shù)控機(jī)床是直接鑄造出需要的產(chǎn)品，是加法。
鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床，打印的通用零件，經(jīng)過(guò)測(cè)試，甚至比國(guó)外高級(jí)數(shù)控機(jī)床直接切削的零件質(zhì)量還好，目前中航科、商飛、中航發(fā)、中航空等國(guó)內(nèi)頂尖科研單位，已經(jīng)開(kāi)始使用。咱們殲20的發(fā)動(dòng)機(jī)、直-20的傳動(dòng)器、運(yùn)20都在使用，還可以打印專用零件，航發(fā)的葉輪、“復(fù)興”號(hào)的傳動(dòng)軸、C919的復(fù)合材料，比起高級(jí)數(shù)控機(jī)床制造的還要好。
“十四五”和“中國(guó)制造2035”明確了制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，未來(lái)對(duì)高端機(jī)床的需求肯定是持續(xù)擴(kuò)大的，尤其是航空航天、核電與能源、電子與信息、船舶與動(dòng)力、武器和通信等重點(diǎn)領(lǐng)域，對(duì)于高鑄鍛銑一體化3D打印數(shù)控機(jī)床的需求是嗷嗷待哺。
很多歐美公司慕名而來(lái)，包括美國(guó)通用、波音、空客一眾知名巨頭，國(guó)外目前沒(méi)有鑄造銑一體化3D打印技術(shù)，也沒(méi)這方面的技術(shù)儲(chǔ)備，開(kāi)發(fā)也需要一段時(shí)間，還避不開(kāi)我們的專利，當(dāng)然這些公司買我們的3D打印數(shù)控機(jī)床目的，就是希望提高零件的質(zhì)量，但都被張教授拒絕了。為什么拒絕？很簡(jiǎn)單，這種核心技術(shù)當(dāng)然是要掌握在自己手里。
不知道美國(guó)被拒絕的時(shí)候，心里是何感想？美國(guó)在芯片、光刻機(jī)、5G、航空航天等方面對(duì)中國(guó)進(jìn)行封鎖的時(shí)候，不知道有沒(méi)有想過(guò)有一天自己也會(huì)嘗到這種滋味？所謂多行不義必自斃，說(shuō)的大概就是美國(guó)吧。
