顛覆時代的中國“心”

黃健

毋庸置疑，每個世界被顛覆之時，都要有超越傳統(tǒng)的視角，遠(yuǎn)瞻千里、探求未來。尤其是當(dāng)3D打印技術(shù)敲響第三次工業(yè)革命大門的這一刻，“不尋?！眲荼貙⒊蔀檫@個時代的核心主題。

然而，仍然讓我們感到意外的是，這場顛覆性變革的中堅(jiān)力量之一、國家“千人計(jì)劃”特聘專家、大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授張璧，不僅全力推進(jìn)3D打印技術(shù)研究，還是活力四射的運(yùn)動健將，甚至還擁有中醫(yī)針灸師資格。

愛好廣泛，學(xué)貫中西，他與傳統(tǒng)工科學(xué)者的刻板形象，著實(shí)拉開了“顛覆性”距離。

問專業(yè)：3D打印能否應(yīng)對國產(chǎn)大飛機(jī)研制之殤？

3D打印，絕對是這兩年炙手可熱的詞匯，專業(yè)人士也稱其為增材制造，是指采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。放眼國際，這項(xiàng)被英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》認(rèn)為是“將推動實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”的技術(shù)，早已引發(fā)了美國、歐洲諸國的激烈鏖戰(zhàn)，“戰(zhàn)火”從平常百姓的吃穿住用一直蔓延到了太空。美國總統(tǒng)奧巴馬曾經(jīng)在國情咨文中提及一項(xiàng)重要舉措，就是大力發(fā)展3D打印，重振美國制造業(yè)。

也正是由于它是各國發(fā)展高端制造業(yè)的“必爭之地”，張璧教授才下定決心，割舍在美國苦心經(jīng)營20余年的工作與生活，放棄康涅狄格大學(xué)機(jī)械工程系終身教授的優(yōu)厚待遇，回國服務(wù)。

故事得從幾年前說起，當(dāng)“讓國產(chǎn)大飛機(jī)翱翔藍(lán)天”的夢想在國內(nèi)被重提時，空客、波音幾乎已成為壟斷世界航空工業(yè)的兩大巨人，而我們的航空工業(yè)體系還止步于“為別人做嫁衣”提供零部件生產(chǎn)的低端環(huán)節(jié)。作為不亞于“兩彈一星”和“載人航天”的重大科技項(xiàng)目，歷程注定是艱難又曲折的。一時間“中國缺乏飛機(jī)制造的核心技術(shù)，不得不從美國公司購買關(guān)鍵部件和系統(tǒng)”的流言甚囂塵上。而事實(shí)上，航空工業(yè)領(lǐng)域的核心技術(shù)，其他國家基本不會轉(zhuǎn)讓，我們必須靠自己的實(shí)力攻克難關(guān)。面對風(fēng)起云涌的國際市場，國產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目早已超出了一款產(chǎn)品的含義，從誕生之日起，就承載著國家意志、民族希望以及促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級等諸多期許。

而此時，金屬材料增材制造技術(shù)也在航空制造業(yè)顯露出了其獨(dú)特的優(yōu)勢，在加工力學(xué)、精密磨削、精密設(shè)計(jì)與制造等研究領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的張璧教授，眼見祖國面臨著發(fā)動機(jī)研制、人才培養(yǎng)等重重挑戰(zhàn)，暗自思慮：“飛機(jī)里面最重要的是發(fā)動機(jī)，飛機(jī)大了，對發(fā)動機(jī)本身要求就會更加高。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)相當(dāng)于它的心臟，心臟一定要很強(qiáng)才能保證足夠動力與安全性。我如果能夠回國幫國家出一點(diǎn)力，哪怕是很小的一點(diǎn)，也許就能夠把大飛機(jī)往前推一下。發(fā)動機(jī)如果能夠做好，大飛機(jī)項(xiàng)目就好解決了，就是不能說解決，也能向前邁出很重要的一步?！?/p>

懷揣著這顆赤子之心，張璧教授回到了國內(nèi)，瞄準(zhǔn)3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，特別是金屬材料的打印，開始了增材減材復(fù)合制造研究。

增材制造在復(fù)雜零件個性化生產(chǎn)中具有高度的靈活性與效率、成本優(yōu)勢。然而，打印出來的零件形狀復(fù)雜，后續(xù)加工尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如內(nèi)腔、內(nèi)孔、流道等）加工極其困難、甚至無法實(shí)現(xiàn)。因此，增材制造沒有與之相匹配的減材加工其實(shí)用性將會受到嚴(yán)重影響。與此相應(yīng)，減材加工技術(shù)主要指通過傳統(tǒng)的切削加工等技術(shù)去除材料，給予增材制造零件所需的幾何尺寸精度與表面光潔度。

增減材復(fù)合制造技術(shù)的提出就是為了彌補(bǔ)增材制造的這一不足。該技術(shù)充分發(fā)揮增材制造在復(fù)雜形狀零件快速制造方面的強(qiáng)大優(yōu)勢，在增材制造的過程中引入減材加工，增材過程與減材過程交替進(jìn)行，直至零（部）件加工完成。該技術(shù)有效地改善單純增材制造零件的尺寸精度及表面質(zhì)量使復(fù)雜形狀零件達(dá)到最終的使用要求。此外，該技術(shù)大大地減少了減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與周期。此外，增減材復(fù)合制造過程中有許多基礎(chǔ)與應(yīng)用問題需要進(jìn)行研究與探索，包括增材與減材耦合所產(chǎn)生的新問題與新挑戰(zhàn)，如增減材過程中的溫度場分布及溫度梯度以及對制造零件性能及精度的影響。這些問題的研究與解決，對于增減材復(fù)合制造機(jī)床的研制乃至增減材復(fù)合制造技術(shù)的研究與應(yīng)用前景，具有重要的推動意義。

“航空發(fā)動機(jī)的性能要求非常高，能應(yīng)用到發(fā)動機(jī)上的材料，用于其他地方大概都不會有什么大問題的。傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，打印出來的東西是毛坯，所謂毛坯就是它表面是粗糙的，而且形狀與尺寸精度不一定能達(dá)到要求。另外，譬如它有孔，跟其他零件之間配合也難做好，因?yàn)榇蛴〉么植?，精度也不行。而我們目前的研究方向，是盡可能早一點(diǎn)把3D打印推向?qū)嵱没?，提高材料的性能，包括各種精度指標(biāo)、材料性能指標(biāo)等等?！?p>

與前輩同事合影

提及目前的研究方向，張璧教授介紹說，“我們的研究方向跟國家的需求方向比較吻合，因此也很受重視。目前，我們大連理工大學(xué)聯(lián)合幾家單位，正在開發(fā)國內(nèi)第一臺把3D打印跟精密加工結(jié)合起來設(shè)備，用它打印的東西，出來的是成品而不是毛坯，能夠完全達(dá)到需求的精度。在打印的過程當(dāng)中，增材與減材加工兩者交替進(jìn)行，不但零件的外部可以打印出來，而且零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括流道、內(nèi)孔，已經(jīng)都加工好了。這些內(nèi)部流道、內(nèi)腔內(nèi)孔、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，等你打印出來再去加工就可能沒機(jī)會了，因?yàn)闇p材加工工具無法到達(dá)待加工區(qū)域。所以必須在它完成之前，加工一部分打印一部分，再加工一部分打印一部分。反復(fù)交替之后，打印完成，里面的加工也就都已經(jīng)完成了。這樣的東西才能真正應(yīng)用于制造產(chǎn)業(yè)?！?/p>

問學(xué)科：現(xiàn)有模式能否實(shí)現(xiàn)科研價值的最大化？

作為“文革”后的第一批大學(xué)生，張璧教授的發(fā)展軌跡一直與國內(nèi)外一流大學(xué)緊密相連。大學(xué)畢業(yè)時，正值國家選拔出國研究生，全國機(jī)械制造專業(yè)僅有5個名額。憑借優(yōu)異的專業(yè)成績，他順利通過選拔，進(jìn)入了東京工業(yè)大學(xué)。幾年之后博士畢業(yè)，先后在上海交通大學(xué)和美國俄克拉荷馬州立大學(xué)進(jìn)行博士后研究。1992年，進(jìn)入美國康涅狄格大學(xué)，成為了該校機(jī)械工程系擔(dān)當(dāng)終身教授的第一個中國人。endprint

幾十年來，對各國科研體系的深入體會，為他進(jìn)入大連理工大學(xué)后成為學(xué)科帶頭人提供了先天優(yōu)勢。除了在國家和學(xué)校的指引下進(jìn)一步凝煉學(xué)科方向，張璧教授目前正在有層次有步驟地組建團(tuán)隊(duì)：“組建還沒有完成。3D打印是以激光和粉末燒結(jié)技術(shù)為基礎(chǔ)的分層制造技術(shù)，我們從源頭做起，首先有3個研究材料的教授，主要做粉末相關(guān)研究，比較有特色;同時有研究激光的、有幾個搞增材制造的教授，還有搞精密加工研究的，這就是大連理工大學(xué)的強(qiáng)項(xiàng)了。中間過程里面，因?yàn)闋可娴胶枚嗔W(xué)問題需要解決，所以有搞力學(xué)研究的。由于3D打印過程當(dāng)中有燒結(jié)，溫度場分析跟熱應(yīng)力計(jì)算，包括燒結(jié)過程都需要分析、研究。這方面是我們的一個短板，所以最近在積極招人，比如有個華人，在英國帝國理工獲得博士學(xué)位后又做了兩年多博士后研究，是搞傳熱與溫度場分析研究的，能夠把我們的缺陷補(bǔ)足，目前已被大連理工大學(xué)引進(jìn)加入我們的增減材制造研究團(tuán)隊(duì)。另外，我們還有搞控制方面研究的成員。所以團(tuán)隊(duì)涉及的領(lǐng)域很廣，需要各個方向的科研人才加入。”

機(jī)床、精密加工、精密制造已經(jīng)是很寬泛的研究范圍了，再把激光和3D打印加入進(jìn)來，牽涉面就更廣了，如果缺乏膽略和勇識貿(mào)然組建這么一個團(tuán)隊(duì)，注定是不可能完成的任務(wù)。在張璧教授看來，一個高效率的研究團(tuán)隊(duì)，不僅需要一個卓越的掌舵人，更需要共同的理念作基礎(chǔ)?！霸诿绹绻M建團(tuán)隊(duì)的話，一定要大家自愿集合才行，這樣更容易出成效。所以我們現(xiàn)在吸取了這種經(jīng)驗(yàn)。首先，這些教授有參與項(xiàng)目的意愿，接著，我會告訴他們我需要什么樣的人、干什么方向，在這個基礎(chǔ)上，大家自愿結(jié)合，才能成為一個穩(wěn)固的團(tuán)隊(duì)?！?/p>

大連理工大學(xué)踏實(shí)的學(xué)術(shù)氛圍與堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)是其開展3D打印與精密加工復(fù)合制造研究的先天基因。學(xué)校的“精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”已成立十余年，一直定位于先進(jìn)制造領(lǐng)域精密與特種加工工藝應(yīng)用基礎(chǔ)研究，面向機(jī)械制造學(xué)科前沿和國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高端裝備制造發(fā)展需求，重點(diǎn)開展精密及超精密加工理論與技術(shù)、特種加工理論與技術(shù)、精密測量與加工過程數(shù)字化控制、微系統(tǒng)與微制造技術(shù)四個方向的科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新。團(tuán)隊(duì)中包括中國科學(xué)院院士1名，工程院院士1名，長江學(xué)者特聘教授1人，“973”首席科學(xué)家3名，海外高層次人才千人計(jì)劃獲得者2人，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者2人、優(yōu)青2人，新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選2名。國家創(chuàng)新研究群體1個，科技部首批創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃重點(diǎn)領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)1個，還擁有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，多年來來承擔(dān)和完成包括國家“973”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)項(xiàng)目和國防項(xiàng)目在內(nèi)的百余項(xiàng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題和重大工程項(xiàng)目，獲獎無數(shù)，并擁有授權(quán)發(fā)明專利192項(xiàng)，發(fā)表的學(xué)術(shù)論文被SCI收錄185篇，被EI收錄605篇，出版學(xué)術(shù)專著5部。

張璧教授介紹說：“實(shí)驗(yàn)室的硬件條件非常好，擁有總價值6000余萬元國際先進(jìn)水平的大型儀器設(shè)備，可以說是目前我國精密與特種加工工藝應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新綜合實(shí)力最強(qiáng)的基地之一。而軟件方面，學(xué)校對我們的研究方向很重視，郭東明校長本身也是搞制造出身的，了解這個項(xiàng)目的價值，還有一大批非常能干的教授，是各自研究領(lǐng)域的佼佼者。遇到難以解決的問題，我們討論一下，項(xiàng)目就能順暢地推進(jìn)下去。除此之外，我們跟其他機(jī)構(gòu)也有一些合作，相互之間就可以取長補(bǔ)短，大家一起來把事情做好，把項(xiàng)目落到實(shí)處。”

與同事在一起

在美國工作的20多年中，張璧教授教過一大批本科生與研究生。2001年開始，他還在湖南大學(xué)做了8年的“長江學(xué)者”特聘教授，也帶出了不少學(xué)生，可以說是桃李滿天下了。所以現(xiàn)在無論參觀訪問或者是項(xiàng)目合作，經(jīng)常會有人主動打招呼，自我介紹是他的學(xué)生，是哪一年、在哪兒讀書的。然而多年來的工作體會，與學(xué)生、同事的互動，讓張璧教授對近年來大學(xué)“重創(chuàng)收輕教學(xué)、重外延建設(shè)輕內(nèi)涵發(fā)展”的現(xiàn)象十分擔(dān)憂。

從事學(xué)術(shù)研究本來就是相對孤獨(dú)的工作，默默無聞是絕大多數(shù)科研工作者的常態(tài)，任何項(xiàng)目的突破都存在著相當(dāng)大的不確定性，教學(xué)和研究無法保證人人都能成名成家，成功者畢竟只是少數(shù)。而在入世精神的刺激下，有些年輕教授心中的天平因此失衡，會傾向于用更多精力換取即時的利益反而忽視了學(xué)術(shù)的根本，張璧教授十分不認(rèn)同：“大學(xué)應(yīng)該以培養(yǎng)人才為主，培養(yǎng)人才就是說你要重視基礎(chǔ)性的東西。老師、教授以學(xué)生為重，因?yàn)閷W(xué)生是你的服務(wù)對象。那么該怎么培養(yǎng)學(xué)生？我們叫發(fā)明創(chuàng)造，本來這個世界上沒有這個東西，我們不了解這方面的知識，就要通過我們的研究、勞動，把它創(chuàng)造出來。這個創(chuàng)造的過程，一定是老師投入精力跟學(xué)生一起來做。早在2001年前后，我就了解到國內(nèi)一些教授開始辦公司，雖然可能有不少人不贊同我的想法，但我覺得大學(xué)就是大學(xué)，大學(xué)就是搞研究的。培養(yǎng)學(xué)生、讓學(xué)生能夠?qū)W到應(yīng)有的知識，這才是我們的正道?！?p>

張璧與研究生李永濤在檢測磨削后的樣品

張璧與研究生在實(shí)驗(yàn)室門前

“有的時候，我看到國內(nèi)一些年輕人，花了很多的時間和經(jīng)歷考慮‘影響因子，覺得這也是走偏了。為了晉升副教授、教授，你需要整天考慮怎么提高考核數(shù)字，想方設(shè)法去申請獎項(xiàng)，投入了大量的時間，反而把精力都消耗了。一個個專利堆起來的，不去思考有什么實(shí)用性，更沒有時間搞特色研究和原創(chuàng)研究，這樣走下去就是本末倒置了，我認(rèn)為這種方式很難取得真正有水平的成果。怎么能夠讓大家都靜下心來，不受干擾地做學(xué)問搞研究，是我們國家面臨的重大課題?！眅ndprint

說起學(xué)科建設(shè)，張璧教授考慮更多的，還是如何培養(yǎng)人才。“除了自己的團(tuán)隊(duì)，還要培養(yǎng)更多的年輕教師以及學(xué)生，包括博士生和碩士生。為此，我們準(zhǔn)備加強(qiáng)國際教育。目前正在跟美國有關(guān)學(xué)校討論這個問題，首先準(zhǔn)備把美國的學(xué)生引入到我們大連理工大學(xué)來，與我們自己的學(xué)生一起由國外回來的這些教授進(jìn)行英語授課。同時，爭取和多所美國高校達(dá)成雙向交流的合作模式?！?/p>

目前中國高校的國際交流，尤其是理工科專業(yè)，大多數(shù)還停留在單向交流層面，即國內(nèi)派學(xué)生和年輕教師到國外去學(xué)習(xí)歷練。張璧教授則主張，國際交流不能是單方向的，不能光是我們派學(xué)生到國外去，國外的學(xué)生也應(yīng)該有到中國來的契機(jī)?！拔覀兊男ｉL一直在規(guī)劃怎么把國際交流做得更好。如果能把美國學(xué)生吸引到中國來，上我們的課程，參與我們的科研，這樣相互之間都有一些交叉?，F(xiàn)在我們有條件了，從國外回來的這些教授，研究與授課的水平一定是可以得到對方認(rèn)可的。隨著中國的發(fā)展，越來越多的留學(xué)生會來到中國，共同學(xué)習(xí)和研究對雙方都是很大的促進(jìn)，會更加有活力，我們也能更好地與國際接軌?！?/p>

問工作：廢寢忘食、事無巨細(xì)是更高效的方式嗎？

傳統(tǒng)的工科學(xué)者常給人不茍言笑、木訥刻板的印象，而張璧教授完全不在此列。大連理工大學(xué)的很多師生對他的評價都是“愛好廣泛、活力四射”。

在美國，張璧教授每個周末都堅(jiān)持騎自行車，每次至少三四十公里。現(xiàn)在回到國內(nèi)，他的主要運(yùn)動方式就是游泳，不止自己運(yùn)動，還動員大家一起去。他常開玩笑說“大連理工大學(xué)如果搞一個鐵人三項(xiàng)，跑步、騎車、游泳，我肯定參加，可能還要得名次。很多同事跟我去游泳，但是業(yè)余選手中，我很難遇到對手?！?/p>

與其他教授不同，他不支持學(xué)生沒日沒夜地學(xué)習(xí)、工作，“我更贊成勞逸結(jié)合。譬如每天去運(yùn)動的時間是不能少的，事情再多，去運(yùn)動是雷打不動的，就像每天吃飯一樣。運(yùn)動之后，大腦清醒了，效率就提高了。如果從早干到晚不休息，大腦糊里糊涂的，效率也不高”。

有同事說起，上研究生的課持續(xù)站兩個小時覺得很累，張璧教授就拉著對方一起去游泳，一段時間以后，同事感慨地說“張老師，我跟以前確實(shí)不一樣了。以前經(jīng)常頭疼，現(xiàn)在沒有了，別說兩個小時，你讓我再多講兩個小時課，都沒有問題。”

在大西洋沖浪

張璧與博士生杜巍等學(xué)生在凈化實(shí)驗(yàn)室工作

除了運(yùn)動，張璧教授還癡迷中醫(yī)，不但持有中醫(yī)針灸師的資格證，在美國，還定期為大家義診。他笑著說“你跟我講身體經(jīng)絡(luò)啊，五臟六腑啊，我肯定有得講了?！痹谒磥恚{(diào)理身體、保持健康是對事業(yè)的有益補(bǔ)充，“高校里面有一個普遍的現(xiàn)象，很多教授都太勞累。而在我看來，如果工作中過度疲勞的話，效率其實(shí)會下降。我們得從長遠(yuǎn)考慮，假如說一個教授有效的工作時間是65歲，如果由于身體因素，55歲或60歲以后你的精力就無法支撐了，那有效工作時間就下降了。我認(rèn)識的幾個教授，經(jīng)常腰疼得爬不起來，有的床都上不去，躺在地板上。如果及早把這個時間用來運(yùn)動、調(diào)理身體，他們的生活質(zhì)量和工作效率都會大大提高，能夠創(chuàng)造更大的價值。”

而在教學(xué)和科研中，張璧教授也不贊成“事無巨細(xì)”的管理模式。“我只會規(guī)劃一個大致方向，具體的還需要你自己去探索，如果對方什么都聽你的，其實(shí)就失去了發(fā)揮的余地。你需要我來幫忙，我給你提供一些參考意見、指導(dǎo)一下。比如這個做得不錯，但是如果這個地方改成那個樣子，可能更好一些，你自己去考慮考慮——這是我認(rèn)為更好的模式，大家都能充分施展自己的才能?！?p>

張璧與研究生在機(jī)械工程館門前

問未來：3D打印究竟如何顛覆“世界”？

有了天時、地利、人和，張璧教授對增減材復(fù)合制造的未來充滿信心。他說：“過去談到3D打印機(jī)，很多人都說產(chǎn)品的材料性能不行。而走到現(xiàn)在，金屬材料，尤其那些高溫合金材料已經(jīng)取得了突破，增減材復(fù)合制造可以為未來提供無限的可能。五年、十年，頂多十五年，我們就可以用3D打印顛覆上百年上千年的制造工藝了。未來，一臺打印機(jī)就像現(xiàn)在的一臺機(jī)床。我們再也不需要傳統(tǒng)的倉庫來儲藏各種各樣的鋼材塊料、管材，只要有作為材料的粉末、線材就夠了。去4S店修車，哪個零件壞了，把它的CAD圖紙傳輸?shù)酱蛴C(jī)上，馬上可以打出一個零件;我們的船隊(duì)出海執(zhí)行任務(wù)，一去一兩個月，幾個零件壞了，直接打印出來，在海上就已經(jīng)能妥善地解決問題了?！?/p>

從減材制造到增減材復(fù)合制造，從人才的“走出去”到“走回來”，折射出了一個時代的起承轉(zhuǎn)合。不久的將來，顛覆將從航空制造一直延伸到吃穿住用，我們的認(rèn)知、技能、生活方式將被頻繁地刷新和重塑。

抵達(dá)這里，學(xué)者張璧，依靠著自己的信念與專業(yè)實(shí)力，成為了驅(qū)動時代發(fā)展的中堅(jiān)力量。而再次出發(fā)，中國制造，一定能為這場時代變革開拓更廣闊的行業(yè)格局。endprint