心中有信仰脚下有力量
——记清华大学成形装备及自动化研究所团队

2021-09-26 07:16杜月娇

科学中国人 2021年20期

关键词：成形

杜月娇

1914年11月5日，梁启超先生在清华园作了一场题为“君子”的演讲。在这次演讲中，他鼓励清华学子“崇德修学，勉为真君子”，如此方能“挽既倒之狂澜，作中流之砥柱”。也是在这次演讲中，他着重阐述了“天行健，君子以自强不息；地势坤，君子以厚德载物”的精神。从此，“自强不息，厚德载物”被写入清华大学校训，成为一代代清华人的精神源泉。

诞生于国家和民族危难之际，成长于国家和民族奋进之中，发展于国家和民族振兴之时——转眼间，清华大学已经走到了110岁华诞，而“君子”之道也已经穿过百年时空，走出了扎根中国大地，建设世界一流大学之路。

“这是一条知耻图强、坚持正确方向之路，一条又红又专、坚持立德树人之路，一条行胜于言、坚持服务国家之路，一条人文日新、坚持改革创新之路。”用清华大学校长邱勇的话说，清华人最高的荣耀，就是把自己奋斗的足迹印刻在民族复兴的伟大征程上。

110年，岁月峥嵘，自强成就卓越。110年，薪火相传，创新塑造未来。在历史积淀中，这是清华人的底气，也是清华人的共识。

清华大学成形装备及自动化研究所团队合影（前排左起：庞媛、张婷、熊卓、马庆贤、蔡志鹏、林峰、常保华、徐弢、姚睿、孙超；后排左起：张磊、李克俭、郑军、赵沧、袁朝龙、韩赞东、孙振国、刘瞿）

成长在这样的土壤中，清华大学机械工程系成形装备及自动化研究所的底色也是自信从容的。在这里，有这么一群人——他们“顶天立地”，努力实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破，勇于攻克“卡脖子”的关键核心技术，摸准产业的脉动解决了一个又一个实际工程问题。凭着科技创新的硬实力，他们在清华园里书写着自己的“君子”之道。

在传承中发展——知难而进走出君子之道

清华大学机械工程系，始建于1932年，是清华大学最早成立的工科系之一，也是中国历史最悠久的工程学科院系之一。

栉风沐雨90载，清华大学机械工程系经历过南迁北上，经历过院系调整，但不管哪一个时期，机械工程系都没有忘记成立之初的宗旨——“造就各项机械工程专门人才，适应国内社会需要”。清华大学成形装备及自动化研究所就是在这方厚土上生长起来的。

“知难而进，勇于攀登；团结合作，共同战斗；只求贡献，淡泊名利。”在成形装备及自动化研究所，成员们提到最多的就是这段话。而这段话出自著名焊接专家、中国科学院院士潘际銮。

作为中国焊接科学技术的奠基人之一，20世纪50年代，潘际銮与其他先辈共同创建了我国最早的焊接专业。但他也是自1950年师从苏联焊接专家普罗霍洛夫起，才正式接触这一专业。原因只有一个：国家需要什么，就做什么。

很快，新的挑战来了。1959年，我国决定启动燃气轮机压气机焊接转子研究。焊接转子是世界能动装备制造行业中的顶尖技术，也是能动装备制造商的核心技术。由于门槛过高，从1930年瑞士造出世界第一根汽轮机焊接转子开始，该技术长期垄断在国外极少数厂家手中。在1962年到1964年我国第一根焊接转子的研发攻关中，潘际銮、苏毅、罗志昌、洪忠许、胡百僖、吴志强、鹿安理等老一辈清华科学家作出了重大贡献。为了尽快实现目标，他们常驻到工厂一线；没有先进的计算设备，想要搞清一个变形问题，他们手工计算的稿纸可能就要堆满房间。但就是在这样的环境下，1964年，他们就在上海电气成功焊接了中国第一根6MW压气机转子。这是我国大型部件焊接制造的一个里程碑，为我国电站设备、大型动力装备等关键部件的自主制造作出了重大的贡献。

数十载的科研生涯中，潘际銮一直在迎接各种挑战。他完成了中国自主生产的第一套核反应堆焊接工程，成功研发了中国第一台电子束焊机；研制的爬行式弧焊机器人，属国际领先水平；为国内第一条高速铁路京津城际高铁的开通作出了重大贡献……

2008年始，为了攻克“华龙一号”核电低压焊接转子的制造难题，清华大学与上海电气等单位联合开展国家重大专项技术攻关。彼时，蔡志鹏已经加入潘际銮团队，几乎常驻在一线车间里，他对潘先生最直接的印象就是勇往直前的“大胆”。“潘老师的思维不受局限，只要他觉得这件事对国家有用，就敢想敢干，特别大胆。”

现在，蔡志鹏已经是成形装备及自动化研究所所长。在他看来，以潘际銮先生为首的老一辈科学家创造的，不仅是一个个标杆性的科技成果，更有可以传承发扬的精神财富。他们以国家需求作为奋斗的方向，把“知难而进，勇于攀登”沉淀成了行为准则，一直影响到今天成形装备及自动化研究所的成长与发展，影响到在研究所奋斗的每一个人。

组织调控和制造可靠性——以人为本凝聚“战斗”力量

刚参加“华龙一号”项目时，蔡志鹏34岁。

“‘华龙一号’里的汽轮机低压焊接转子，是核电的关键部件，也是核电自主化的控制性构件。过去只有日本、德国、法国能生产出来，严重制约了我国核电发展。”蔡志鹏回忆道。

核电低压转子就是典型的能动装备。能动装备不给力，国家发展就会被“卡脖子”。但真干起来也不容易。作为我国自主研发的第三代核电机组，“华龙一号”中的汽轮机低压焊接转子，是目前世界上尺寸最大、重量最重的汽轮机转子，运转时每分钟转速高达1500转。更重要的是，这根转子需要在高温、湿蒸汽环境下安全服役60年，不能出任何问题。“如果发生脆性断裂，就会造成灾难性事故。我们必须从提高韧性的角度开始研究，使其充分满足核电要求。”蔡志鹏说。他们的目标就是解决核电低压转子强度和韧性相互制约的关键性难题，而最终，他们的成果也在我国首台百万等级核电“华龙一号”机组汽轮机低压转子的成功研制上发挥了重要作用。

2021年5月20日01时15分，“华龙一号”海外首堆工程——卡拉奇核电站2号（K-2）机组正式投入商业运行，预计年发电量约90亿千瓦时。卡拉奇核电项目，是巴基斯坦国内目前最大的核电项目，也是中国首个“华龙一号”国际化落地项目，是国家“一带一路”宏伟蓝图指引下落实的重要项目。蔡志鹏团队耗时10年的创新成果在该项目的焊接转子中得到应用。

2011年，刚进入“直博”阶段的李克俭就加入了卡拉奇项目。“他研发的焊丝非常厉害。”蔡志鹏忍不住赞扬起来。2018年5月，以李克俭为第一完成人的“一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝”，正式申请国家发明专利并终获授权。

据介绍，大量的火电、核电高温构件在制造过程中均会涉及异种钢的焊接连接问题。不同钢种之间的焊接连接，以及相同钢种之间使用不同于其成分的焊材连接形成的焊接接头都可称为异种钢焊接接头，其中低合金贝氏体耐热钢与高合金马氏体耐热钢之间的焊接接头是发电、石油、化工行业中较为常见的异种钢焊接接头。这两种被连接钢种之间较大的Cr元素含量梯度，为焊材的选择提出了较大的挑战。

“我们需要一个特种焊丝，原本用的是法国的产品，其中一个性能不达标，但法国的焊丝已经是当时行业内最高性能的产品了。”后来，李克俭和蔡志鹏决定自己做更匹配的焊丝，他们研制了低C活度、以M23C6及MX为强化相的专用焊丝，解决了接头碳迁移、异种钢回火以及高温持久强度不足的综合难题。当他们按照标准交出了几百公斤焊丝时，合作方十分叹服，毕竟在大众眼中，做产品，并不是高校的特长。最终，相关成果被应用于我国第一根超临界12%Cr异种钢转子（2016年投运），以及我国第一根百万等级620℃超超临界异种钢焊接转子上。

“我印象比较深刻的是在2017年，合作方发现焊接的时候总是出现不规则气孔，还一直找不到原因。”李克俭说。一个核电转子的产值以亿元计，一旦出问题，损失巨大。经过认真调研与分析，清华的团队通过焊丝表面检测找到了主要原因：原本用于CO2气保焊的焊丝，表面清洁度不能达到TIG焊的要求。

“我们要把焊丝表面的油污洗下来。选择高极性溶剂可以洗得很干净，但由于溶剂挥发性强，也会给分析设备造成一定的损伤。”团队成员季文说，她至今都记得，为了选到性能最好且不损坏设备的溶剂，他们做了多少努力。

在来清华大学机械工程系读博之前，刘瞿是中船重工第七二五研究所特种焊材研制中心的工程师。他的工作主要是面向国家高性能参数重大装备自主制造的需求，开展材料微观组织调控与制造可靠性的理论研究以及新材料和新工艺的实践研发。加入蔡志鹏团队后，他主要负责焊丝的国产化研究，使其高性能、低杂质含量等方面得到有力的保障。2021年下半年，他们有望将国产焊丝用于核电重大产品上，打破国外在高性能焊丝上40年的垄断。

“我们这个团队叫作‘组织调控和制造可靠性’团队，重点方向有两个：一是上面讲述的面向国家重大需求的能动装备制造研究，潘际銮院士为我们的能动装备制造研究打下了良好的基础；二是通过电磁场提升工业基础件寿命与可靠性的研究，我们将之命名为‘正钧技术’。”蔡志鹏介绍道。

“正钧”两个字，是团队成员集思广益的结果。“正”意为“调整”，“钅”代表晶体类材料，“匀”指围观缺陷均匀化。“正钧”即为通过调整晶体类材料的微观缺陷使之均匀化，提升服役性能。该技术适用于各种硬质合金、高速钢、金刚石、CBN等材料（含涂层）制成的机械加工刀具、轴承、齿轮、液压泵阀及其他存在磨损失效的工业基础件。

以高端刀具为例，改善刀具的耐磨性能是提高其使用寿命，提高生产效率的有效途径之一。2016年起，课题组的吴瑶开始与格特拉克（江西）传动系统有限公司合作，结合南昌工厂现场CBN刀具使用与加工生产情况进行工业化验证。该公司车间技术员两年后在论文《正钧技术在硬车刀片中的应用》中写道：“经强化的刀具寿命提高大约30%。经过大批量正钧化处理使用，刀具成本每年可为我司节约30余万元。”

2018年，清华大学联合厦门金鹭特种合金有限公司、成都飞机工业（集团）有限责任公司、北京航空航天大学等单位申报的国家科技重大专项“航空钛合金结构件高性能加工技术成套工艺研究与应用”正式启动，几年下来，正钧技术在高端刀具的工业化应用方面取得了长足的进步。现在，吴瑶带领几位年轻人，每年都要承接数以万计高端刀具的正钧处理，正钧技术在行业的影响力也逐渐形成。

“我国高端刀具依赖进口的问题仍然很突出，而通过正钧技术实现国内相关产品可靠性和稳定性的升级，可以为国家自主装备的高端制造作出贡献。”吴瑶直言，他就是被这种情怀吸引留在蔡志鹏团队的。而今，他与季文、王恒、马雷等人已经成为该方向上的主力干将。

除了高端刀具，正钧技术在提升高端轴承寿命与可靠性方面也有重大作用。比如，蔡志鹏团队与中国航发哈尔滨轴承有限公司联合进行航空发动机国产主轴轴承正钧强化研究。实际测试表明，正钧技术非常显著地提高了轴承的寿命与可靠性，这为提升国产高端轴承的性能提供了一条新的途径。目前，蔡志鹏团队得到了国家科技部、国家自然科学基金委的大力支持，正在合作开展更深入、更系统的研究工作。

蔡志鹏

“机理透彻、应用可靠”是正钧技术团队孜孜以求的方向。在机理研究方面，正钧人利用清华大学交叉学科的优势，尝试单晶硅、极性溶液等简单体系电磁场作用前后理化性能的变化探究作用的机理，并努力寻求预测正钧强化效果的检测原理与方法；在应用方面，地勘用钻、桩机用截齿、新疆摘棉锭、钛合金叶片正钧后都取得了喜人的效果。

蔡志鹏很高兴看到这群80后、90后日渐强大。在这个团队中，他们是可以把后背交付对方的“战友”，平日里有各自独立的研究，但当项目需要时，又会集结到一起共同“战斗”。“我们的氛围特别好，”蔡志鹏真诚地说，“我曾经从潘际銮院士那里受益匪浅。现在有了一些经验和判断力，也希望能打造出一个‘芭蕾舞’舞台，只要他们跳的是‘芭蕾舞’，想怎么跳，我都支持。”

作为一位70后带头人，蔡志鹏尤其愿意去发现成员们的闪光点。“吴瑶、王恒、马雷去现场测试刀具基本就睡在车间，工人们有倒班，他们担心中间出状况，都是全程跟进。刘瞿今年5月刚正式入职，立马就去华中科技大学，处理航发关键构件组织分析的难题……”在他看来，未来要规划、团队要发展，就得以人为核心。他乐于看到他们脚踏实地，做绝不掺假的科研；更乐于看到他们能生活得有尊严。“人好了，才能做出更好的成绩来。”

相对之下，团队的每一位成员也有着明确的目标，就是“通过努力把技术推广出去，应用好”。用王恒的话说，“技术做出来，能得到认可，就是最大的荣耀”。“我们自己的工艺，经过现场测试后，能得到一个比较好的结果。哪怕过程很辛苦，拿到这个结果我们都非常兴奋。”马雷补充说。

蔡志鹏团队曾收到过一面来自上海汽轮机厂的锦旗，上面写着“为核电重器铸基石，助火电高超登新峰”。对成员们来说，这是一个莫大的鼓舞，也让他们对未来满怀信心。“现在，我们国家正在从制造大国向制造强国过渡，从过去的跟跑、并跑走向领跑。我们能做的就是，未来在高端能动装备，包括发电装备、航空发动机、高端工业基础件上作出大建树。”

重型装备研发——让中国“极端制造”引领世界

2003年，中国工程院《发展我国大型锻压装备研究》咨询组（组长为师昌绪院士）的调研报告明确指出：“难变形合金挤压机在我国还是一个空白，已经制约了相关装备尤其是军用先进航空发动机的发展。”

这份报告针对的是21世纪初的国情。当时，我国使用的大型自由锻水压机已经进入了寿命后期，故障增多、锻造能力下降，严重影响了产品生产。清华大学机械工程系教授颜永年曾经对自由锻造法的“浪费”情况深表惋惜。“一个大管锻造完成需要两个多小时，进行再加工后，材料利用率还不到14%。”

一个严峻的问题是：对于60万千瓦以上超临界、超超临界火力发电项目来说，大口径厚壁无缝钢管必不可少。而此时国内用于火力发电站和石化行业的高品质大口径厚壁不锈钢管全部依赖进口。

怎么办？想要在这方面自给自足，已经显出颓势的传统自由锻水压机是供给不了的。相比之下，业内更看好垂直挤压技术的前景。在长期垄断该技术的美国威曼·高登公司，采用成熟的无缝管垂直挤压生产技术，30秒就能生产1根钢管，且材料利用率高达85%。不过，他们将该技术视为“国家核心技术”，拒绝对外转让。2004年，北方重工前往美国考察，两次均铩羽而归，而后，他们在全世界范围内寻找能转让该技术的厂家，也一无所获。被人“卡脖子”的滋味不好受，我国决心自主研发3.6万吨黑色金属垂直挤压机（360MN垂直挤压机，简称“360工程”），由北方重工挑大梁，而他们选择的合作对象，就是清华大学机械工程系颜永年团队。

作为“3.6万吨垂直挤压大口径厚壁无缝钢管工程”中清华团队主要成员，吴任东、张磊还是第一次接到这种级别的重型压机项目。

重型压机有多重要？学界认为，拥有重型压机装备是美国、法国和苏联成为航空产业三巨头的关键因素之一。毕竟，缺乏重型挤压机和重型模锻液压机，就意味着无法生产重型核电钢管、大直径涡轮盘等——这也是我国发电设备用大型铸锻件长期依赖进口，航空用大型承力件只能用其他办法代替的重要原因。

重型压机研制有多难？以我国二重集团的8万吨模锻压机项目为例，该项目从20世纪80年代就开始论证了，但直到2007年才正式开工建设，2013年初步建成开始试生产，历经30多年。

可从2005年开始接手做初步方案，颜永年团队只用4年时间就设计研发了当时世界上最大吨位的黑色金属垂直挤压机组——3.6万吨挤压机和1.5万吨制坯压机。作为“新时期十大标志性技术装备之一”，“360工程”取得了钢丝缠绕结构、预应力剖分结构等重大技术创新；创造了大流量高压油泵直传、采用液压提升技术安装、大尺度原位缠绕预紧等多项世界第一。

令他们感到自豪的是：从1999年到2018年期间，他们持续为广东科达、恒力泰公司设计并持续监测大吨位预应力钢丝缠绕结构的板材压机。产品吨位从4800吨到3.6万吨等几十个型号。每年生产400台以上，到2018年共生产销售压机1万台以上，目前全世界在线工作的压机有6000台以上。以前那种“6年建一个核电站，3年时间在等锻件”的时光一去不复返了。他们的研究，真正打破了美、德、日三国垄断，改变了国内大口径厚壁无缝钢管大量依赖进口的局面，使中国第一次进入世界耐高温高压厚壁成型材料的“极端制造”领域。

经此一役，团队得到了充分的成长。作为团队骨干之一，张磊也在“3.6万吨垂直挤压大口径厚壁无缝钢管工程”中崭露头角。2008年，团队接受了新的挑战：要设计一台以航空模锻件生产为主的400MN模锻液压机。针对航空模锻件产品的特点，400MN模锻液压机采用了单缸-单机架布局，即采用一个主液压缸产生400MN的额定锻造力，一个双柱机架承载所有锻造力。一旦成功，该主缸将是当时世界上最大的模锻液压缸。张磊顶住了这份压力，在颜永年教授提出的剖分坎合基础上提出了微坎合技术，完成了400MN模锻液压机的设计和制造。2012年，该项目顺利投产，生产出了国内第一件细晶化大型A100锻件、国内目前投影面积最大的钛合金整体锻件等，是起落架、承力框、涡轮盘等锻件的主力生产装备，在国内目前新一代航空器和航发锻件的生产中发挥了重要作用。

而从2012年开始，吴任东要设计研发另一个多功能压级机组——6.8万吨多功能机和2.6万吨制坯压机。袁朝龙副教授加入团队时，正赶上这一项目。

研究所部分教师在“先进成形制造教育部重点实验室”与“生物制造与快速成形北京市重点实验室”标牌前合影

加入吴任东团队之前，袁朝龙的工作重心是大型锻件成形工艺研发。在他看来，6.8万吨多功能模锻挤压机最大的特点是集模锻与挤压功能于一身。“挤压和模锻两个工艺的要求不同，挤压是为了能成形，要求用最快的速度和最大的力，因为一旦慢下来，钢筋容易凉，就挤不动了。而模锻要求受力要均匀、速度要平缓，速度过快的话，容易发生断裂。”

为了将看似矛盾的两个功能加以兼容，吴任东团队采用了全新的挤压/模锻工模具的结构形式，不仅从根本上改善了工模具在挤压/模锻过程中的受力受热状态，大幅度提高了工模具的使用寿命，还能够在24小时内完成功能切换。

2015年，团队完成了挤压和模锻功能的热调试，在青海成功挤压出同口径下立式挤压钢管中世界第一长度的无缝钢管。到2020年，世界挤压类第一大口径TC4钛合金管也在青海诞生，其外径700毫米、内径430毫米，壁厚135毫米，长6.5米。

6.8万吨挤压和模锻双功能重型压机的成功，改变了一个格局——此前，世界上还没有过3万吨以上大吨位压机能同时具备挤压和模锻双功能，中国的这一成果属于全球首创！这意味着，在这一方向上，中国填补了国际空白，打败了国外技术和产品的双重垄断。

以功能论，多功能压机挤压功能在全球排名第一，模锻功能在全球排名第三。以应用论，其出现将为我国飞机制造、电力、石油化工、军工、船舶等领域的发展奠定基础，对于提高我国工业水平和中国工业在世界的地位具有深远意义。目前，该多功能压机已经被中车和商飞等单位联合收购，并在此基础上成立了中钛青锻公司。

对吴任东团队来说，他们是走通了一条路，用实力证明，我国拥有制造万吨级重型设备的能力。在这个领域，任何一个国家去开发，都要面对来自设计、制造、运输、安装等多方面的压力，所以万吨级重型设备才会被称为“极端制造”，而在极端制造上的水平也成为衡量一个国家制造能力的标志。当6.8万吨挤压和模锻双功能重型压机显示出远超世界同类其他设备的水平，自主制造万吨级重型设备看起来已不是难事，但吴任东团队却保持着清醒。在他们看来，随着电站功率增大及海上钻油深度不断增加，对厚壁钢管的口径及长度，都会提出更高的要求。他们还有的忙。

“以现有产品为目标的重型压机已基本建设完备，接下来就会进入优化生产工艺阶段。我们还应该开拓新型产品，以引导重型压机装备行业的发展。”目前，吴任东团队还有很多在研项目，比如：大型宽幅镁合金板材挤压工艺和设备、大型车轨辙叉整锻工艺和设备等。而如果要划一个重点出来，就是“16万吨压机”，因为其牵涉大型飞机的制造。对于这个难度系数，吴任东团队已经有了心理准备，为了大型飞机的发展，再难的硬骨头，他们也要“啃”下来。

“我们真正的目标是让中国极端制造领跑世界。”吴任东表示。

生物制造——有“活力”的成形制造技术

21世纪走进第二个10年时，3D打印仿佛横空出世一般出现在公众面前。人们认为，在不远的未来，3D打印技术将会打破虚拟世界与实体世界的鸿沟，引发一场产品制造的革命和设计的革命，给材料科学和生物科学带来翻天覆地的变化。

但很多人不知道，严格来说，3D打印其实算不上多新鲜。在“3D打印”这个名字被推广开之前，它还有另两个名字：快速原型制造和快速成形技术。早在1988年，“中国3D打印第一人”颜永年教授就接触到了这一技术。在这之前，他已经在金属材料锻压成形工艺和设备，特别是预应力结构的重型模锻设备与工艺上有了深厚的积累。甚至1988年去美国的那次访问，他本来的目标也是学习水射切割技术。没想到在偶然得到的一张宣传单上，他对“快速成形技术”一见钟情。

“从事成形科学和材料成形的人容易看到它的本质和价值。”颜永年说。因为锻造需要用到模具才能将零件做出来，而模具开发是一个非常漫长的过程。这时，如果能利用快速成形技术，将物体从数字模型直接转换成物理模型，就意味着可以取消模具设计环节，整个制造周期将大大缩短。

回国后，颜永年在清华大学成立了国内首个快速成形实验室，建立了清华大学激光快速成形中心，他也是清华大学材料加工自动化研究所第一任所长和清华大学生物制造研究所第一任所长。可以说，从那时起，他的选择影响了清华大学在3D打印事业上的整体进度。

比如清华大学机械工程系长聘教授林峰，他自1990年起跟随颜永年教授研发预应力钢丝缠绕和重型液压机技术，1992—1998年间跟随颜永年攻读博士学位，开始快速成形技术的研发。“那时候我对3D打印或者说快速成形的重要性，并没有深刻的认识。但受颜永年老师感染，我们也逐渐产生了很大的兴趣。”

林峰

久而久之，林峰也开始认同导师颜永年的想法——3D打印不光要制作复杂结构的模型，更重要的是要进入工业制造领域，要能够制造航母、高铁、飞机、核电站、火电站等需要的金属零件。而他也将研究方向锁定在电子束选区熔化（EBSM）金属增材制造（3D打印）技术上。

电子束选区熔化（EBSM）技术是一种利用高能电子束，逐层选择性地熔化沉积零件截面内粉末的增材制造技术，具有制造复杂、精密金属构件的能力。由于电子束比激光的功率高，材料对电子束能量的吸收率也远远高于对激光的吸收率，因此相较于目前比较普遍的激光选区熔化（SLM）技术，EBSM技术具有能量利用率高、材料适应面广、粉末床温度高、真空环境等技术特点，是一种高效、低应力、低成本的增材制造技术，特别适合难加工高性能材料复杂零件的规模化生产，被认为是航空航天、核电能源、医疗器械等领域最具前景的金属增材制造技术之一。

早在2002年，瑞典Arcam公司就推出了他们的EBSM技术。而林峰也从2004年开始自行研发相应技术，并实现了金属EBSM装备的自主研发和产业化，形成了面向科研、医疗器械和航空航天领域3个系列的EBSM设备。在此基础上，他们又进一步与航天科工集团、中国航发集团、中国商发、中国商飞北研中心等合作，相继实现了难焊高温合金Inconel738/M247、钛合金TC4/TA15、钛铝合金TiAl4822、难熔金属钨等高性能难加工材料的EBSM成形。经过多年的自主研发，他们凭实力打破了国外公司的垄断，使我国成为继瑞典Arcam公司（已属美国GE公司增材板块）之后，世界上第二个掌握EBSM技术和装备的国家。

3D打印现在已经成为一个研究的热点。然而在其不长的历史上，无论在中国，还是在国际上，3D打印都曾经跌入过低谷。20世纪90年代后期，3D打印技术遇到了“瓶颈”：制作的“原型”强度较低、功能较差，难以大规模应用。直到2000年之后，这一情况才由于金属增材制造和生物制造的出现逐渐得到逆转，世界各国纷纷将3D打印作为未来产业发展的新增长点加以培育。2012年，美国将“增材制造技术”确定为首个制造业创新中心，欧盟、日本、韩国、新加坡、俄罗斯、南非、印度等地区和国家也通过各种措施推进3D打印产业发展。

在我国，王华明院士（现担任清华大学“先进成形制造教育部重点实验室”学术委员会主任），带领北航团队实现了用激光直接制造金属大型复杂构件的创新突破，使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。而在清华大学，颜永年教授团队将快速成形引入生命科学领域，研发了多种生物材料快速成形技术和装备，使清华大学成为国内生物3D打印技术的引领者。

“增材制造要想进一步发展，还有很多瓶颈问题，我们希望能有所突破和创新，建立中国自己的技术体系。这是我们的使命和责任。”林峰总结道，“值得自豪的是，我们在3D打印上有自己的历史和传统，在这个领域，我们不是跟跑，而是引领。”

“引领”，同样的标签也出现在清华大学机械工程系长聘副教授熊卓的记忆里。作为“三清博士”，熊卓对清华大学在生物制造上的发展线十分熟悉。事实上，他从1999年就开始从事组织工程支架的3D打印研究，也是国际上最早开展细胞3D打印的研究者之一。

“我们走的是细胞－材料单元的堆积路线。”熊卓说。2004年11月，熊卓和导师颜永年等人申请了国内这一领域的第一个专利：“一种细胞－材料单元的三维受控堆积成形方法”。在该方法中，他们根据预先设计的结构和路径，将各种细胞－材料溶液的混合物分别通过不同的喷头挤压或喷射出来，形成细胞－材料单元，堆积到空间指定位置；在相应的触发条件下，形成一定形态和强度的细胞－材料凝胶；再通过逐点逐层的堆积，得到具有一定机构的组织器官雏形。

同年，熊卓还主持了国家自然科学基金委在细胞3D打印领域的第一个资助项目——“细胞与细胞/材料微滴的装配成形及其生物学基础研究”。2005年，他所在的团队发表论文，对“生物制造工程”进行了定义。忆及当年，熊卓言语间绕不开对“活细胞”的坚持。“人体细胞不是简单的聚集，它们存在复杂的细胞外基质。我们所做的，就是把细胞和它们的基质像一个整体单元一样组装起来，这样细胞能‘活’起来，长出高级的结构。”

熊卓中间也离开过一段时间。2020年全职返回清华后，他的状态调整得极为自然。在机械工程系生物制造中心内部，他和同事张婷共同组建了生物打印与再生工程（BRE）团队。他们在复杂组织器官三维打印构建新技术和面向个性化治疗的体外三维肿瘤模型研发上，展开了一系列工作。

“重塑完美，栩栩如生”，熊卓办公室里挂着这样一幅字。早在2000年，清华大学派出了一支学生创业团队参加在斯坦福大学举行的全球创业计划挑战赛“Entrepreneurs Challenge 2000”，他们的参赛项目是机械系激光快速成形中心成果孵化的“博创生医激光快速成形公司”。熊卓至今还记得，团队出发前为了拟定一个响亮的口号苦思冥想的场景，最终，还是一旁“打酱油”的自动化系1994级朱鹏翔同学脱口而出这八个字。虽然那次比赛他们惜败于斯坦福大学闪存技术创业团队，可20年后，“闪存”风光不再，“生医激光快速成形”却成为科技界、产业界红红火火的“生物3D打印”。想到那段经历，熊卓心中总是激荡起一股澎湃的力量，这次重返清华，他也要继续朝着“重塑完美、栩栩如生”的目标坚定前行。

“世纪之交，以颜永年老师为首，我们在细胞打印上的工作影响了中国近20年的研究。那现在我们这代人怎么才能影响未来20年呢？我们要站在学科前沿，这才是清华该干的事情。”谈到现状，熊卓郑重地说。

熊卓

“清华该干的事”，对生物制造团队的每一个人来说，既然如今站在清华园，“创新争先”就是当仁不让的事。如今，生物制造团队逐步形成了一支年轻有活力的教师队伍。

张婷副研究员，本科和博士均毕业于清华大学机械系，具有多学科交叉学习研究的背景，在法国里昂中央理工大学、美国哥伦比亚大学生物医学工程系Gordana Vunjak-Novakovic教授团队、美国哈佛大学医学院、布莱根妇女医院Ali Khademhosseini教授团队有求学和访问经历。自2004年开始，她就瞄准医疗健康领域重大需求，持续开展复杂结构组织器官的生物3D打印、组织/器官芯片及体外生命系统工程交叉领域的研究。她现任中国机械工程学会生物制造工程分会总干事，中国生物材料学会生物材料先进制造分会委员；先后主持国家自然科学基金、中韩国际交流基金，国家重点研发计划课题等，作为骨干参与国家自然科学基金重点项目，原“863”计划课题、“重大新药创制”国家科技重大专项等科研项目十余项。

张婷认为：“生物3D打印领域面临的关键核心问题是工程学‘自上而下’设计制造与生物学‘自下而上’发育生长的协调机制问题，而我所聚焦的复杂组织/器官的生物3D打印，更是需要实现从‘打印’到‘存活’，从‘形似’到‘神似’，在复杂结构组织的一体化制造、生物物理微环境的动态构建等方面，也亟须从‘技术’到‘装备’，从‘原型’到‘应用’的关键技术突破。”

其中，血管化是实现组织/器官功能化的前提，其核心挑战是突破氧和营养物质扩散的极限，实现微尺度血管网络及跨尺度血管结构的重建。张婷及团队针对心肌、神经、肌肉等一类异质结构且对缺氧极其敏感的组织的制造，提出异质结构血管化组织一体化仿生构建新策略，初步实现了各向异性组织的血管化与功能成熟，相关文章作为杂志封底文章及网站报道，被评价为“首次成功在定向支架内构建嵌合多级通道网络的仿生心肌组织”，是“构建大尺度血管化心肌组织的最有潜力方法之一”。同时，聚焦3D组织/器官芯片及在药物检测领域的应用，开展3D类心肌组织、类脑组织、类肺芯片等对药物响应的研究并取得进展。

张磊2001年开始师从颜永年教授攻读博士学位，2006年博士毕业后留校继续在团队工作。在生物制造领域，他的主要工作方向围绕人工血管及血管支架展开。他设计了多层结构仿生人工血管，试图在体内实现血管再生；与安贞医院合作，开展个性化可降解血管支架的设计和成形方面研究；与华信医院合作，开展个性化覆膜支架的相关工作等。心血管系统疾病是影响人类寿命和生存质量主要疾病之一，张磊坚信生物3D打印技术和医工结合可以为心血管疾病的治疗提供更有效的器械和治疗手段。

姚睿副教授于2005年投入细胞3D打印和再生医学领域，至今持续研究16年。得益于在清华大学、麻省理工学院Robert Langer实验室等一流实验室的研究经历，使她具备了扎实的学术功底和前沿视野。多学科的人才和坚定一致的信念，使姚睿及所带领的团队能够瞄准医疗健康领域的“卡脖子”问题，探索独特的工程化解决方法：提出静电打印细胞微球技术，解决移植组织血管化困难的问题，发表多篇亮点论文，授权多项专利；提出三维微图案定向分化技术，首次在体外分化获得成熟的人体微肝组织，发表封面论文，授权多项专利；提出3D打印多层级支架技术，细胞扩增效率达到现有技术的100倍，发表封面论文，授权多项专利并进入转化应用。“十三五”期间，姚睿牵头获得重点研发计划青年科学家项目，在肝脏类器官、器官芯片、肝胆双系统体外模型和肝脏疾病模型等方面取得进展，并作为“十四五”概算专家参与概算编制工作。

生物制造团队另一位归国学子是庞媛，师从日本动物实验替代法学会会长、东京大学酒井康行（Sakai Yasuyuki）教授。构建高仿生的组织器官替代物用于临床研究，是庞媛从博士学习以来的科研梦想和追求。感受到共同的科研目标，庞媛于2016年年底正式加入清华生物制造团队，成为助理研究员。有着化学、药学、生物工程交叉学科背景的她，在进入机械系这样一个全新的环境后，开始更多地依托“工程的手段解决生物的问题”。面向临床恶性肿瘤治疗的个性化模型研究，是她加入清华团队后主要开展的工作。“目前我国肿瘤学研究创新力不足，‘卡脖子’关键技术亟待解决”，庞媛介绍说，“我们针对肿瘤组织结构学特征，开发了一系列新型的打印设备和工艺，从单细胞水平实现肿瘤复杂微环境重构，构建针对个体患者的仿生模型用于药物筛选。”目前她已成功研制个体化的肝、胆、肾、胰腺等多种癌症模型，与协和医院、肿瘤医院、北京清华长庚医院开展广泛合作，推动3D打印癌症模型的临床转化。

欧阳礼亮也是清华自己培养起来的年轻老师。从清华大学博士毕业后，他前往英国帝国理工学院从事了3年半的博士后研究，目前担任助理教授、博士生导师。他的研究聚焦在活细胞3D打印的形性协同这个方向，围绕生物墨水材料、生物打印工艺、组织工程应用等方面开展了系列工作。以独作身份出版1本生物3D打印英文专著（Springer出版社），在Science Advances、Advanced Materials等期刊发表系列研究论文，获得GE基金会科技创新大赛一等奖、清华大学优秀博士论文和优秀博士毕业生等荣誉。

自2018年北京和上海分别成立脑科学与认知科学研究中心以来，中国版“人脑计划”便如火如荼地展开了。于2020年12月入职的助理研究员宋宇博士紧跟研究前沿将生物制造技术与神经科学相结合，率先构建了体外长期具有生物功能性的类脑组织结构体，相关研究工作得到Physics World的专题报道。宋宇博士在北京科技大学张跃院士与美国里海大学Berdichevsky教授指导下的工作经历，夯实了其在材料与神经科学方面的研究基础，并为其致力于类脑技术的发展提供了有力保证。

而熊卓本人近期尤其关注空间生物3D打印。“生物3D打印是以计算机三维模型为‘图纸’，装配特制‘生物墨水’，最终制造出人造器官和生物医学产品的新科技手段。而空间技术和微重力将给地球上的人类健康带来深远的益处。”据他介绍，空间微重力环境有利于柔性的生物材料打印成形，使细胞的聚集方式更接近人体组织，将会影响干细胞的增殖、分化等性能。

2021年6月17日，“神舟十二号”发射成功，3位宇航员将在中国空间站停驻90天。对于熊卓来说，这个好消息，意味着他对空间生物3D打印的判断没有错。如果该技术发展成熟后，想要制造在空间或返回地球使用的人体器官和组织，将不再是梦。“在国际上，这项工作正是起步阶段，国内还没有相关团队开始相关研究。”熊卓觉得，这个机会必须把握住。国际空间站退役在即，未来数年，“天宫”可能会是国际上唯一的在轨空间站。他和团队觉得这值得拼一把，说不定就能真正超越呢。

现在，熊卓所在的BRE团队正致力于开发基于微小卫星的空间生物3D打印工艺与设备，同时也在协调卫星资源开展在轨实验，努力争取空间生命科学研究领域里程碑意义的成果。随着2022年中国空间站建成并正常运营，通过微小卫星验证的空间生物3D工艺与设备将有望利用空间站更丰富的资源条件，取得突破性成果。“人一辈子也就几十年，总得做点有价值的工作。”熊卓说。

脚下有力量——自信的清华不会畏惧问题

“2003年，研究所才成立。这些年来变化还是挺大的，但无论如何变化，研究方向一直都是围绕国家重大需求。”副所长韩赞东说。

韩赞东

在研究所成立之前，潘际銮院士主持研究的“新型MIG焊接电弧控制法”，就已经获得国家技术发明奖一等奖；而从20世纪70年代初就从事金属材料锻压成形工艺和设备研究的颜永年教授课题组以CIMS应用工程和预应力缠绕式液压机技术也分别获得国家科技进步奖二、三等奖。

成立以来，研究所逐渐成为“先进成形制造教育部重点实验室”和“生物制造与快速成形北京市重点实验室”的依托单位。面向科学技术发展和社会经济建设需求开展基础研究与工程应用，研究所涉及重型加工装备、激光加工、增材制造、生物制造、航天装备制造、能源装备制造、机器人技术、先进焊接与连接、大型铸锻件成形制造、无损检测等技术领域。

“我们研究所主要是搭建平台给老师们提供服务。我们一直都很重视理论创新和产业应用并抓，比如产业应用上，所里一直在积极面对工程和市场，一旦发现哪个企业/工程的需求和某位老师的研究方向匹配，就会促成合作。但从本质上来说，我们和企业还是不同的，在研究所里，每一位老师都是相对独立的，他们会在这个平台上开展个性化研究。”

自从1997年博士毕业，韩赞东就在从事焊接工艺与过程控制、机电系统控制以及信号处理等方面的研究工作，直到2004年起，才因为学科发展需要将研究重点转移到材料测试与无损检测领域。过去十余年，韩赞东在无损检测上的工作重点是围绕高温气冷堆过球计数器展开的。“第四代核反应堆在换料时不需要停堆，但燃料装卸过程中需要监测，我们的过球计数器能够对此做出监测，以保证反应堆的安全运行。”韩赞东说，“核电站对检测设备的可靠性、抗干扰、辐射环境适应性要求很高，所以这些年来我们一直在对计数器进行不断优化。”

与这项能“做一辈子”的工作不同，近年来，韩赞东又承担了北京市科技计划项目“城市燃气管网内检测关键技术研究”。“未来预计会做与工业相关的铜管/钢管检测，”他表示，“过去高品质的铜管在线自动检测系统多是德国设备，但咱们国家的铜管产量在世界的占比超过50%，不能在检测上受制于人。”

研究所成员马庆贤教授，在国家科技项目支持下，主持制定了大型铸锻件和厚钢板技术标准，为三峡工程水轮机组镜板、百万千瓦级核电主管道等锻件的成功制造提供了技术支撑。相关成果服务于国内外100多座水电站，700多台机组及其他装备涉及的装机铸锻结构件30多万吨，直接销售额400多亿元，为我国由水电大国跻身水电强国作出了贡献。

马庆贤

郑军副研究员2005年进入清华机械工程系。近年来，他主要致力于高端智能焊接技术的研究、开发和产业化推广，先后获得2018年度江苏省扬州市“绿杨金凤”领军人才和2019年度江苏省“双创计划”人才项目资助。所研发的技术和设备获得了核级设备的焊接认证，实现了高端焊接的智能化，在十余项核电项目得到了批量推广应用，取得了质量和效率的双重认可。

长聘副教授常保华是欧盟玛丽·居里学者，近年来面向航空航天先进结构的焊接及增材制造，在国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、欧盟玛丽·居里基金等项目支持下，在轻金属复杂结构激光焊接、单晶及定向凝固高温合金结构修复、形状记忆合金增材制造等方面开展了系统研究开发工作，部分成果在先进航空航天结构的制造中得到应用，为解决企业关键技术问题提供了技术方案。

已经是清华大学机械工程系助理教授、特别研究员、博士生导师的赵沧，主要研究方向为增材制造的关键机理探索和安全防护的先进装备研究。他的工作涉及材料科学、凝聚态物理、光学、力学、机械等多学科交叉。近年来，他完成了美国先进光子源金属增材制造同步辐射在线监测平台的设计和研制，并深入研究了匙孔演化、液滴飞溅、匙孔气泡等基础问题。基于此，他严格定义了激光加热的3种模式，指出了增材制造中匙孔的广泛存在性；发现了一种新的液滴快速飞溅机理；确立了匙孔气泡缺陷区域的边界，发现了一种新的气泡缺陷起源机理。代表性论文发表在Science（两篇）、Physical Review X等期刊上，而他本人也获得中国科学院院长优秀奖、美国阿贡国家实验室博士后杰出贡献奖等。

清华大学长聘教授都东曾先后担任材料加工自动化研究所和成形装备及自动化研究所所长十余年，在能源装备和航天航空制造领域取得重要研究进展和工程应用，并长期支持蔡志鹏、韩赞东、吴任东、郑军、常保华等各团队在重大装备成形制造领域的发展。同时，都东教授作为清华机械系成形制造学科召集人和先进成形制造教育部重点实验室负责人，尽心竭力培养和引进学术人才，为机械系激光加工、微纳成形、生物制造等方向的发展作出了突出贡献，其中包括支持助理教授赵沧博士作为第一作者在世界著名学术期刊Science发表激光增材制造基础研究成果。目前，都东担任清华大学学位评定委员会委员和机械工程分委主席，曾指导博士学位论文针对智能制造技术开展研究，荣获IIW Henry Granjon奖。

都东

“没有碰到过解决不了的问题”，采访过程中，他们对于自己在研究过程中遇到的难题总是轻描淡写，似乎没有什么值得他们去崩溃。只要他们想，办法永远比困难多。

这样的心态下，清华大学成形装备及自动化研究所呈现出“众人拾柴火焰高”的面貌。正是有了每一位成员的努力，近年来，研究所照样成绩不菲。他们不乏国家奖，因彩图科技百科全书、声发射检测技术应用成果先后获得国家科技进步奖二等奖；主持设计的360MN黑色金属垂直挤压机组成功投产，打破国外技术封锁，实现了大口径厚壁无缝钢管的国产化，获得国家科技进步奖二等奖；将生物打印技术应用于妇产科临床以及关键救治取得突出成绩，分获国家科学技术进步奖二等奖与军队科技进步奖一等奖。他们创造了里程碑式的成果，主持设计我国首台400MN重型航空模锻液压机，实现了大型航空精密模锻件自主研制和生产；自行研发的电子束选区熔化（EBSM）增材制造装备，实现了产业化，使我国成为第二个能够生产该类装备的国家……

2021年4月16日，清华大学校长邱勇在110周年校庆“大学”系列论坛结束时做了一个致辞。他说：“自信的清华不会畏惧问题，我们将从问题出发，奋力迈向新的发展高度。”