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編者按
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原標題：勇闖3D打印研發(fā)“無人區(qū)”
“好的，年后見?！睆V西大學機械工程學院教授龍雨掛斷電話，窗外不時傳來鞭炮聲，年味正濃。春節(jié)期間，龍雨與沈陽、成都、上海的國產大飛機單位保持聯(lián)系，跟進合作事宜。此次合作與一項誕生于廣西的核心技術——“3D打印的光場調控技術與方法”緊密相關，該項技術曾榮獲2023年度廣西技術發(fā)明獎一等獎。
廣西大學龍雨團隊作為國內外3D打印光場調控技術研發(fā)的先驅者與領軍者，埋頭勇闖“無人區(qū)”，在未知中執(zhí)著探索，實現了這一高新技術的從無到有。
龍雨（中）指導學生采用高功率激光結合六軸聯(lián)動單元，研發(fā)紅外和可見光多模信號融合原位監(jiān)測的智能激光增材制造技術。
敢為人先，門外漢直擊行業(yè)痛點
“3D打印的光場調控技術與方法”包括光束整形打印技術、多激光復合打印技術、大幅面超高速光固化打印技術等三大關鍵技術。該技術從激光、材料、軟件等方面有效解決了打印質量（缺陷）難控制，成形效率低的行業(yè)痛點。
龍雨是這項技術研發(fā)的牽頭人。2012年，他在國外一家航空航天企業(yè)負責增材制造工作。作為使用方，他發(fā)現3D打印總是存在打印制品精度低、能量利用率低和生產效率低等缺點，難以滿足大型復雜零部件高效率、高精度、多功能的需求，影響制造，也嚴重阻礙了3D打印的進一步發(fā)展。
究其原因，正是由于3D打印一直保持高斯分布的圓形光斑激光。
“高斯光源是一種能量由中間向四周逐漸減弱的圓形光斑，能量不均容易產生高溫蒸汽、出現飛濺效應。一旦飛濺物落在已經成形的零件表面上，就會造成缺陷。”龍雨解釋，為了減少高溫蒸汽，只能降低打印功率，如此一來打印效率又被限制。
一直以來，改善打印質量多從打印材料和工藝方面下功夫，但終究是“治標不治本”。如何突破這一困境？龍雨腦海中萌生了一個想法——改造激光束。
這一想法打破了行業(yè)的固有思維。質疑，也迎面而來。
企業(yè)高管認為，3D打印技術涉及多學科、多領域，機械制造專業(yè)出身的龍雨相當于“門外漢”，研發(fā)毫無優(yōu)勢可言。“做3D打印、激光加工的同行覺得改變高斯光是離經叛道、異想天開。”雖然不被企業(yè)領導、行業(yè)人士支持和理解，但是改造激光束的執(zhí)念已在龍雨心中深深扎根。為此他不斷籌劃。
彼時，他積極尋求企業(yè)團隊成員協(xié)助，開展實驗驗證改造激光束這一想法的可行性。但由于缺少設備、研發(fā)條件不齊全等困難，想法只是想法。
2018年，回到深圳的龍雨入職激光加工裝備優(yōu)勢單位大族激光，為深入了解打印相關的光學、材料、設備等創(chuàng)造了契機。此時，于他而言正是萬事俱備，借助國內完整的供應鏈，他終于可以進行打印裝備的探索。
面對重重質疑仍一往無前，這位科技工作者不只為解決行業(yè)痛點，更為了核心技術、打印設備的獨立自主。
“3D打印發(fā)源于國外，一些關鍵核心技術被國外限制出口，相關打印設備的知識產權還是掌握在國外企業(yè)手中?！饼堄瓯硎荆?D打印作為一種新興的制造技術，有助于推動制造業(yè)向高端化、智能化、綠色化方向發(fā)展?！爸挥袑崿F科技自立自強，擁有打印設備自主權，才不會受限于人，被人掣肘?！?/span>
3D打印的光場調控技術與方法的應用場景：《流浪地球2》電影道具（左上）、新能源汽車電機（右上）、航空手柄（左下）、冬奧會頭盔（右下）。
首創(chuàng)技術，為光束精準整形
改造激光束為的是改變激光能量分布問題。
怎么改造激光束？龍雨和他的團隊打算為激光做個“整形手術”。但這一“手術”在國內查無先例，毫無經驗可供借鑒。
“光束整形相當于我們將光分成幾束后，再合并變成不同形狀的效果。就像將圓形拼盤分割后，再用一定方法拼成方形或其它形狀?！饼堄甏蛄藗€比方。
然而，從理論到實踐的跨越充滿了艱難險阻。單單是將激光形狀從圓形變?yōu)榉叫?，用龍雨的話說就好比“西天取經”，難題一道接著一道。
“比如你做方形的光，需要很多鏡片組合成像。最開始，我們連提供工業(yè)鏡片的供應商都找不到?！饼堄杲榻B，激光束的形狀調整對每一塊鏡片的大小、厚度、形狀都有著精確要求。少量定制化的鏡片制作的“小訂單”，對于大批量生產的鏡片供應商來說實在不劃算，根本不愿意受理。
無可奈何，吃盡閉門羹的龍雨只能自己嘗試聯(lián)系機械加工廠，委托他們逐一打磨鏡片。
2019年，為了技術研發(fā)順利推進，已在廣西大學任教的龍雨在完成一周繁重的教學任務后，依然每周風雨無阻地奔赴深圳，甚至全國各地?！澳弥约旱膱D紙或者設計方案，問哪家公司或作坊有能力、愿意做設備零件。如果加工不出來或是效果不理想，還得繼續(xù)改方案?！辈粩嗯霰?、不斷嘗試，這便是龍雨團隊研發(fā)日常。
功夫不負有心人，光束整形技術終于研發(fā)成功。
“如今，我們可以實時、按需求把光整成方形、環(huán)形等形狀?！饼堄杲榻B，整形后的激光不僅能量分布均勻，而且大小能夠根據實際打印需求連續(xù)變化，極大提高了打印自由度。
可以說，光束整形技術是光場調控技術的重要組成部分，其突破了單點打印，實現多點、線、面打印的高效率3D打印，大幅提升了打印效率?！熬捅热珉娪啊读骼说厍?》中使用的部分電影道具，從正式下單到打印再到送達劇組，48小時內就能完成?！饼堄昊貞洝?/span>
龍雨（中）與團隊成員到浙江寧波洽談合作研發(fā)大型低壓激光粉末床增材制造裝備。
不僅如此，該技術在實現各類光束形狀的同時，精度最小可達25微米?！跋喈斢诖蛴‘a品的細致程度可以精確到四分之一根發(fā)絲那么細?！饼堄瓯硎?，該技術打印精度達到了國際領先水平，已經在浙江吉利、深圳華為、北京藍箭（國產可復用火箭打?。┑绕髽I(yè)得到應用。
做好加法，多激光復合打印有創(chuàng)新
技術的創(chuàng)新，一項接著一項。
對于3D打印行業(yè)來說，另一個長期困擾是多激光、多材料難題——即不同顏色的激光頻率各異，在打印不同材質的材料時表現出明顯差異。
“例如鋁合金這樣的高反射金屬，對紅色激光反射率非常高，只用紅光是沒辦法熔化鋁合金的?！饼堄杲忉?，按說使用大功率紅外激光能夠快速熔化金屬進行打印，但鋁合金對紅外激光的吸收率極低，難以被熔化。而藍色激光對高反射金屬（如鋁、銅）的吸收率能達到60%至70%，能提供更好的表面熔化能力，卻存在功率密度低、打印效率低的問題。
如何取長補短，將兩種光的優(yōu)勢結合起來？
團隊思來想去，決定給激光做個“加法”。他們選擇合適的近紅外激光器和藍光激光器，通過反射-透射式光學器件，將不同波長的激光進行空間上的精確合成。
但這個加法并非是“一加一等于二”的簡單命題。
“不同波長的激光在空間和時間上的特性差異較大，合成后可能出現光斑失配或功率密度分布不均勻的問題?！眻F隊成員告訴記者，為了確保兩種激光的焦點一致并且光斑均勻性良好，避免因光路差異導致功率密度不均問題，團隊用了半年時間反復實驗、校準。最終，他們成功發(fā)明鋁銅高反金屬的紅藍復合打印技術，組成紅-藍復合激光，解決了藍色激光的低功率密度、大功率紅外激光打印的不穩(wěn)定性難題。
除了激光的復合，3D光場調控技術還解決了多材料打印問題，可實現4種材料的異質打印?！坝幸恍┊a品可能是一層銅一層鐵或者其他材質，通過大型異質構件的多激光協(xié)同打印技術，最多能實現4種材料連續(xù)打印?！眻F隊成員介紹道。目前，國內大部分技術只能實現2種異質材質打印，該團隊研發(fā)的技術在國內率先實現了4種異質材料的連續(xù)打印。
“該技術能夠消除0.5毫米大小以上的缺陷，以往3D打印中存在的一些孔隙、細節(jié)，可通過打印工藝和后期熱處理工藝結合起來，可以說消除了絕大部分缺陷?！饼堄曜院赖卣f。
龍雨（左一）在柳工商討砂型鑄造打印技術合作。
遨游太空的航空航天精密部件，阡陌交通的汽車發(fā)動機，華為手機主板和電池的牢固焊接，冬奧會運動員佩戴的頭盔……各行各業(yè)中，都閃現著這一項創(chuàng)新技術的身影?！皣鴥鹊拇蛴⊙b備制造企業(yè)都找過來了，希望將光場調控的技術集成到他們的裝備上，其中不乏國內知名上市公司和頭部企業(yè)。”龍雨表示，未來，該核心技術想要更廣泛地進入各個行業(yè)，被領頭企業(yè)充分認可，成為他們打印裝備的標配，還急需解決資金和人才短缺問題。
對于龍雨團隊而言，獲得獎勵榮譽并非終點。新的一年，他們期待立足廣西持續(xù)深耕技術研發(fā)，讓3D打印的光場調控技術與方法走向更廣闊的舞臺，也為更高端的中國制造注入新的活力。
“最近也在和廣西的企業(yè)洽談合作，希望這項誕生于廣西的技術，在廣西落地生根，發(fā)展壯大?！饼堄暾f。
■人物簡介
廣西大學“智能激光制造與精密加工”科研團隊帶頭人 龍雨
作為一名70后教授、博導，龍雨于2019年9月來到廣西大學工作，擔任“智能激光制造與精密加工”科研團隊學術帶頭人。5年多來，龍雨教授主持國家重點研發(fā)計劃等項目10余項，以第一作者或通信作者發(fā)表SCI論文100多篇、授權發(fā)明專利30多項（含美國、歐洲專利各2項）、制定標準10余項（含國家標準1項）、主編出版普通高等學校“十四五”規(guī)劃精品教材2本；帶領團隊開展產學研工作，系列成果獲得廣西技術發(fā)明一等獎、廣東科技進步二等獎。不久前，他順利通過了專業(yè)技術二級崗位評定。
