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张璧:颠覆时代的中国“心”

来源:  发布时间:2016-07-26

——记大连理工大学机械工程学院张璧教授
  
本刊记者 黄 健
  
  毋庸置疑,每个世界被颠覆之时,都要有超越传统的视角,远瞻千里、探求未来。尤其是当3D打印技术敲响第三次工业革命大门的这一刻,“不寻常”势必将成为这个时代的核心主题。
  然而,仍然让我们感到意外的是,这场颠覆性变革的中坚力量之一、国家特聘专家、大连理工大学机械工程学院教授张璧,不仅全力推进3D打印技术研究,还是活力四射的运动健将,甚至还拥有中医针灸师资格。
  爱好广泛,学贯中西,他与传统工科学者的刻板形象,着实拉开了“颠覆性”距离。
  
问专业:3D打印能否应对国产大飞机研制之殇?
  
  3D打印,绝对是这两年炙手可热的词汇,专业人士也称其为增材制造,是指采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。放眼国际,这项被英国《经济学人》认为是“将推动实现第三次工业革命”的技术,早已引发了美国、欧洲诸国的激烈鏖战,“战火”从平常百姓的吃穿住用一直蔓延到了太空。美国总统奥巴马曾经在国情咨文中提及一项重要举措,就是大力发展3D打印,重振美国制造业。
  也正是由于它是各国发展高端制造业的“必争之地”,张璧教授才下定决心,割舍在美国苦心经营20余年的工作与生活,放弃康涅狄格大学机械工程系终身教授的优厚待遇,回国服务。
  故事得从几年前说起,当“让国产大飞机翱翔蓝天”的梦想在国内被重提时,空客、波音几乎已成为垄断世界航空工业的两大巨人,而我们的航空工业体系还止步于“为别人做嫁衣”提供零部件生产的低端环节。作为不亚于“两弹一星”和“载人航天”的重大科技项目,历程注定是艰难又曲折的。一时间“中国缺乏飞机制造的核心技术,不得不从美国公司购买关键部件和系统”的流言甚嚣尘上。而事实上,航空工业领域的核心技术,其他国家基本不会转让,我们必须靠自己的实力攻克难关。面对风起云涌的国际市场,国产大飞机项目早已超出了一款产品的含义,从诞生之日起,就承载着国家意志、民族希望以及促进产业升级等诸多期许。
  而此时,金属材料增材制造技术也在航空制造业显露出了其独特的优势,在加工力学、精密磨削、精密设计与制造等研究领域积累了丰富经验的张璧教授,眼见祖国面临着发动机研制、人才培养等重重挑战,暗自思虑:“飞机里面最重要的是发动机,飞机大了,对发动机本身要求就会更加高。因为发动机相当于它的心脏,心脏一定要很强才能保证足够动力与安全性。我如果能够回国帮国家出一点力,哪怕是很小的一点,也许就能够把大飞机往前推一下。发动机如果能够做好,大飞机项目就好解决了,就是不能说解决,也能向前迈出很重要的一步。”
  怀揣着这颗赤子之心,张璧教授回到了国内,瞄准3D打印技术在航空发动机上的应用,特别是金属材料的打印,开始了增材减材复合制造研究。
  增材制造在复杂零件个性化生产中具有高度的灵活性与效率、成本优势。然而,打印出来的零件形状复杂,后续加工尤其是内部结构(如内腔、内孔、流道等)加工极其困难、甚至无法实现。因此,增材制造没有与之相匹配的减材加工其实用性将会受到严重影响。与此相应,减材加工技术主要指通过传统的切削加工等技术去除材料,给予增材制造零件所需的几何尺寸精度与表面光洁度。
  增减材复合制造技术的提出就是为了弥补增材制造的这一不足。该技术充分发挥增材制造在复杂形状零件快速制造方面的强大优势,在增材制造的过程中引入减材加工,增材过程与减材过程交替进行,直至零(部)件加工完成。该技术有效地改善单纯增材制造零件的尺寸精度及表面质量使复杂形状零件达到最终的使用要求。此外,该技术大大地减少了减材加工中的材料去除量,提高零件的成形效率,大幅度地降低制造成本与周期。此外,增减材复合制造过程中有许多基础与应用问题需要进行研究与探索,包括增材与减材耦合所产生的新问题与新挑战,如增减材过程中的温度场分布及温度梯度以及对制造零件性能及精度的影响。这些问题的研究与解决,对于增减材复合制造机床的研制乃至增减材复合制造技术的研究与应用前景,具有重要的推动意义。
  “航空发动机的性能要求非常高,能应用到发动机上的材料,用于其他地方大概都不会有什么大问题的。传统的3D打印技术,打印出来的东西是毛坯,所谓毛坯就是它表面是粗糙的,而且形状与尺寸精度不一定能达到要求。另外,譬如它有孔,跟其他零件之间配合也难做好,因为打印得粗糙,精度也不行。而我们目前的研究方向,是尽可能早一点把3D打印推向实用化,提高材料的性能,包括各种精度指标、材料性能指标等等。”
  提及目前的研究方向,张璧教授介绍说,“我们的研究方向跟国家的需求方向比较吻合,因此也很受重视。目前,我们大连理工大学联合几家单位,正在开发国内第一台把3D打印跟精密加工结合起来设备,用它打印的东西,出来的是成品而不是毛坯,能够完全达到需求的精度。在打印的过程当中,增材与减材加工两者交替进行,不但零件的外部可以打印出来,而且零件的内部结构,包括流道、内孔,已经都加工好了。这些内部流道、内腔内孔、内部结构,等你打印出来再去加工就可能没机会了,因为减材加工工具无法到达待加工区域。所以必须在它完成之前,加工一部分打印一部分,再加工一部分打印一部分。反复交替之后,打印完成,里面的加工也就都已经完成了。这样的东西才能真正应用于制造产业。”
  
问学科:现有模式能否实现科研价值的最大化?
  
  作为“文革”后的第一批大学生,张璧教授的发展轨迹一直与国内外一流大学紧密相连。大学毕业时,正值国家选拔出国研究生,全国机械制造专业仅有5个名额。凭借优异的专业成绩,他顺利通过选拔,进入了东京工业大学。几年之后博士毕业,先后在上海交通大学和美国俄克拉荷马州立大学进行博士后研究。1992年,进入美国康涅狄格大学,成为了该校机械工程系担当终身教授的第一个中国人。
  几十年来,对各国科研体系的深入体会,为他进入大连理工大学后成为学科带头人提供了先天优势。除了在国家和学校的指引下进一步凝炼学科方向,张璧教授目前正在有层次有步骤地组建团队:“组建还没有完成。3D打印是以激光和粉末烧结技术为基础的分层制造技术,我们从源头做起,首先有3个研究材料的教授,主要做粉末相关研究,比较有特色;同时有研究激光的、有几个搞增材制造的教授,还有搞精密加工研究的,这就是大连理工大学的强项了。中间过程里面,因为牵涉到好多力学问题需要解决,所以有搞力学研究的。由于3D打印过程当中有烧结,温度场分析跟热应力计算,包括烧结过程都需要分析、研究。这方面是我们的一个短板,所以最近在积极招人,比如有个华人,在英国帝国理工获得博士学位后又做了两年多博士后研究,是搞传热与温度场分析研究的,能够把我们的缺陷补足,目前已被大连理工大学引进加入我们的增减材制造研究团队。另外,我们还有搞控制方面研究的成员。所以团队涉及的领域很广,需要各个方向的科研人才加入。”
  机床、精密加工、精密制造已经是很宽泛的研究范围了,再把激光和3D打印加入进来,牵涉面就更广了,如果缺乏胆略和勇识贸然组建这么一个团队,注定是不可能完成的任务。在张璧教授看来,一个高效率的研究团队,不仅需要一个卓越的掌舵人,更需要共同的理念作基础。“在美国如果组建团队的话,一定要大家自愿集合才行,这样更容易出成效。所以我们现在吸取了这种经验。首先,这些教授有参与项目的意愿,接着,我会告诉他们我需要什么样的人、干什么方向,在这个基础上,大家自愿结合,才能成为一个稳固的团队。”
  大连理工大学踏实的学术氛围与坚实的专业基础是其开展3D打印与精密加工复合制造研究的先天基因。学校的“精密与特种加工教育部重点实验室”已成立十余年,一直定位于先进制造领域精密与特种加工工艺应用基础研究,面向机械制造学科前沿和国家战略性新兴产业高端装备制造发展需求,重点开展精密及超精密加工理论与技术、特种加工理论与技术、精密测量与加工过程数字化控制、微系统与微制造技术四个方向的科学研究和技术创新。团队中包括中国科学院院士1名,工程院院士1名,长江学者特聘教授1人,“973”首席科学家3名,国家杰出青年科学基金获得者2人、优青2人,新世纪百千万人才工程国家级人选2名。国家创新研究群体1个,科技部首批创新人才推进计划重点领域团队1个,还拥有丰富的实战经验,多年来来承担和完成包括国家“973”计划、国家自然科学基金重大、重点项目和国防项目在内的百余项应用基础研究课题和重大工程项目,获奖无数,并拥有授权发明专利192项,发表的学术论文被SCI收录185篇,被EI收录605篇,出版学术专著5部。
  张璧教授介绍说:“实验室的硬件条件非常好,拥有总价值6000余万元国际先进水平的大型仪器设备,可以说是目前我国精密与特种加工工艺应用基础研究和技术创新综合实力最强的基地之一。而软件方面,学校对我们的研究方向很重视,郭东明校长本身也是搞制造出身的,了解这个项目的价值,还有一大批非常能干的教授,是各自研究领域的佼佼者。遇到难以解决的问题,我们讨论一下,项目就能顺畅地推进下去。除此之外,我们跟其他机构也有一些合作,相互之间就可以取长补短,大家一起来把事情做好,把项目落到实处。”
  在美国工作的20多年中,张璧教授教过一大批本科生与研究生。2001年开始,他还在湖南大学做了8年的“长江学者”特聘教授,也带出了不少学生,可以说是桃李满天下了。所以现在无论参观访问或者是项目合作,经常会有人主动打招呼,自我介绍是他的学生,是哪一年、在哪儿读书的。然而多年来的工作体会,与学生、同事的互动,让张璧教授对近年来大学“重创收轻教学、重外延建设轻内涵发展”的现象十分担忧。
  从事学术研究本来就是相对孤独的工作,默默无闻是绝大多数科研工作者的常态,任何项目的突破都存在着相当大的不确定性,教学和研究无法保证人人都能成名成家,成功者毕竟只是少数。而在入世精神的刺激下,有些年轻教授心中的天平因此失衡,会倾向于用更多精力换取即时的利益反而忽视了学术的根本,张璧教授十分不认同:“大学应该以培养人才为主,培养人才就是说你要重视基础性的东西。老师、教授以学生为重,因为学生是你的服务对象。那么该怎么培养学生?我们叫发明创造,本来这个世界上没有这个东西,我们不了解这方面的知识,就要通过我们的研究、劳动,把它创造出来。这个创造的过程,一定是老师投入精力跟学生一起来做。早在2001年前后,我就了解到国内一些教授开始办公司,虽然可能有不少人不赞同我的想法,但我觉得大学就是大学,大学就是搞研究的。培养学生、让学生能够学到应有的知识,这才是我们的正道。”
  “有的时候,我看到国内一些年轻人,花了很多的时间和经历考虑‘影响因子’,觉得这也是走偏了。为了晋升副教授、教授,你需要整天考虑怎么提高考核数字,想方设法去申请奖项,投入了大量的时间,反而把精力都消耗了。一个个专利堆起来的,不去思考有什么实用性,更没有时间搞特色研究和原创研究,这样走下去就是本末倒置了,我认为这种方式很难取得真正有水平的成果。怎么能够让大家都静下心来,不受干扰地做学问搞研究,是我们国家面临的重大课题。”
  说起学科建设,张璧教授考虑更多的,还是如何培养人才。“除了自己的团队,还要培养更多的年轻教师以及学生,包括博士生和硕士生。为此,我们准备加强国际教育。目前正在跟美国有关学校讨论这个问题,首先准备把美国的学生引入到我们大连理工大学来,与我们自己的学生一起由国外回来的这些教授进行英语授课。同时,争取和多所美国高校达成双向交流的合作模式。”
  目前中国高校的国际交流,尤其是理工科专业,大多数还停留在单向交流层面,即国内派学生和年轻教师到国外去学习历练。张璧教授则主张,国际交流不能是单方向的,不能光是我们派学生到国外去,国外的学生也应该有到中国来的契机。“我们的校长一直在规划怎么把国际交流做得更好。如果能把美国学生吸引到中国来,上我们的课程,参与我们的科研,这样相互之间都有一些交叉。现在我们有条件了,从国外回来的这些教授,研究与授课的水平一定是可以得到对方认可的。随着中国的发展,越来越多的留学生会来到中国,共同学习和研究对双方都是很大的促进,会更加有活力,我们也能更好地与国际接轨。”
  
问工作:废寝忘食、事无巨细是更高效的方式吗?
  
  传统的工科学者常给人不苟言笑、木讷刻板的印象,而张璧教授完全不在此列。大连理工大学的很多师生对他的评价都是“爱好广泛、活力四射”。
  在美国,张璧教授每个周末都坚持骑自行车,每次至少三四十公里。现在回到国内,他的主要运动方式就是游泳,不止自己运动,还动员大家一起去。他常开玩笑说“大连理工大学如果搞一个铁人三项,跑步、骑车、游泳,我肯定参加,可能还要得名次。很多同事跟我去游泳,但是业余选手中,我很难遇到对手。” 
  与其他教授不同,他不支持学生没日没夜地学习、工作,“我更赞成劳逸结合。譬如每天去运动的时间是不能少的,事情再多,去运动是雷打不动的,就像每天吃饭一样。运动之后,大脑清醒了,效率就提高了。如果从早干到晚不休息,大脑糊里糊涂的,效率也不高”。
  有同事说起,上研究生的课持续站两个小时觉得很累,张璧教授就拉着对方一起去游泳,一段时间以后,同事感慨地说“张老师,我跟以前确实不一样了。以前经常头疼,现在没有了,别说两个小时,你让我再多讲两个小时课,都没有问题。”
  除了运动,张璧教授还痴迷中医,不但持有中医针灸师的资格证,在美国,还定期为大家义诊。他笑着说“你跟我讲身体经络啊,五脏六腑啊,我肯定有得讲了。”在他看来,调理身体、保持健康是对事业的有益补充,“高校里面有一个普遍的现象,很多教授都太劳累。而在我看来,如果工作中过度疲劳的话,效率其实会下降。我们得从长远考虑,假如说一个教授有效的工作时间是65岁,如果由于身体因素,55岁或60岁以后你的精力就无法支撑了,那有效工作时间就下降了。我认识的几个教授,经常腰疼得爬不起来,有的床都上不去,躺在地板上。如果及早把这个时间用来运动、调理身体,他们的生活质量和工作效率都会大大提高,能够创造更大的价值。”
  而在教学和科研中,张璧教授也不赞成“事无巨细”的管理模式。“我只会规划一个大致方向,具体的还需要你自己去探索,如果对方什么都听你的,其实就失去了发挥的余地。你需要我来帮忙,我给你提供一些参考意见、指导一下。比如这个做得不错,但是如果这个地方改成那个样子,可能更好一些,你自己去考虑考虑——这是我认为更好的模式,大家都能充分施展自己的才能。”
  
问未来:3D打印究竟如何颠覆“世界”?
  
  有了天时、地利、人和,张璧教授对增减材复合制造的未来充满信心。他说:“过去谈到3D打印机,很多人都说产品的材料性能不行。而走到现在,金属材料,尤其那些高温合金材料已经取得了突破,增减材复合制造可以为未来提供无限的可能。五年、十年,顶多十五年,我们就可以用3D打印颠覆上百年上千年的制造工艺了。未来,一台打印机就像现在的一台机床。我们再也不需要传统的仓库来储藏各种各样的钢材块料、管材,只要有作为材料的粉末、线材就够了。去4S店修车,哪个零件坏了,把它的CAD图纸传输到打印机上,马上可以打出一个零件;我们的船队出海执行任务,一去一两个月,几个零件坏了,直接打印出来,在海上就已经能妥善地解决问题了。”
  从减材制造到增减材复合制造,从人才的“走出去”到“走回来”,折射出了一个时代的起承转合。不久的将来,颠覆将从航空制造一直延伸到吃穿住用,我们的认知、技能、生活方式将被频繁地刷新和重塑。
  抵达这里,学者张璧,依靠着自己的信念与专业实力,成为了驱动时代发展的中坚力量。而再次出发,中国制造,一定能为这场时代变革开拓更广阔的行业格局。
  
  
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