西北工业大学——国内最早研究，应用金属3D打印的高校

1995年，黄卫东在科研中产生了关于快速成形技术的一个新构思：把快速原型制造的增材成形原理和同步送粉激光熔覆相结合，形成一种快速成形高性能致密金属零件的新技术，用于直接制造可以承载高强度的力学载荷的金属结构件。黄卫东注意到，当时“快速成形”=“快速原型制造”，但两者的内涵其实并不相同。增材制造作为一种快速成形原理，没有理由说它只能用于原型制造，而不能制造可以直接承载高强度力学载荷的金属结构件。

　　但当黄卫东同快速成形领域的专家们交流构思时，专家们却是一致地表示怀疑，不相信快速成形技术可以制造像铸件和锻件那样高力学性能的致密金属零件！黄卫东根据自己的专业知识，坚信采用同步送粉激光熔覆技术完全可以做出力学性能非常高的金属零件。于是，他安排博士研究生李延民开始进行激光立体成形的技术基础多层激光熔覆的探索性研究。初步结果令人鼓舞，在金相显微镜下竟然难以分辨多层激光熔覆形成的金属块的分层结构，说明材料结合得非常好，确实形成了一个致密的整体。

　　1997年，航空科学基金首次设立重点项目，黄卫东教授题为“金属粉材激光熔凝的显微组织与力学性能研究”的项目申请通过函评，在会审会上，黄卫东的激光立体成形新设想，在评审组长，中国著名激光焊接专家左铁钏教授的力挺下得以通过。同年，激光定向凝固研究项目获得国家自然科学基金的资助。这是中国在激光立体成形领域最早的正式立项的科研项目。李延民以激光立体成形作为研究内容的博士论文让他在2001年获得博士学位，成为中国第一位专门研究激光立体成形技术的博士。毕业后即被美国GE公司中国研究中心招募，为该中心创建了激光立体成形技术研究部门。

　　2000年以后，863计划、973计划、国家自然科学基金重点项目等也开始对激光立体成形立项支持。2001年，黄卫东团队关于“高性能复杂金属零件的激光快速成形技术”的研究项目申请获得国家863计划的支持。

　　863项目的研究成果，很快就在我国新型航空发动机的研制中做出重要贡献。到该发动机装机试车的时间节点时，采用铸造技术研制的一个关键零件始终未能合格，使得发动机无法按时装机试车。利用863项目研究所获得的技术成果，黄卫东团队采用激光立体成形技术研制的零件保证了发动机的装机试车。

　　2001年，黄卫东教授团队申请了中国第一批关于激光立体成形的源头创新专利。至今已获授权激光立体成形的材料、工艺和装备相关的国家发明和实用新型专利12项。

　　2002年和2006年，西工大与中国人民解放军第四军医大学口腔医院合作，先后获得863计划的连续支持，开展口腔金属修复体和梯度生物活性材料的激光立体成形研究，其中激光立体成形的口腔钛基金属修复体已通过临床试用，激光成形制备的钛/生物陶瓷梯度复合材料也通过了动物植入测试。激光立体成形技术在医学领域的应用，是黄卫东和他的团队所看好的下一个研究重点。实际上，这项工作早在1995年就起步了。那年四医大口腔医院的王忠义教授带领他的几个博士研究生到实验室探讨口腔医学与材料加工领域的合作机会。黄卫东提出的激光立体成形的技术构思引起了王忠义教授的高度兴趣。当他的一位博士生高勃完成博士学位论文之后，王忠义就建议他到西北工业大学作博士后研究工作，由此启动了长达十几年至今的口腔植入体激光成形研究工作。高勃博士如今已是四医大的教授、博士生导师，口腔植入体的激光成形研究成了他的主要科研方向。

　　航空航天和大型机械装备关键零件的高性能修复，是激光立体成形技术的又一个重要应用领域。2003年，黄卫东教授到成都飞机公司去进行有关激光立体成形的学术交流。成飞科技部的部长说，我们更关心高端零件的修复。在飞机零件的加工过程中，不可避免常常因为各种原因形成的零件缺陷而导致报废，由于飞机关键零件对性能可靠性的要求极高，因此一般不允许修复使用。一些大型零件的价格往往上百万元或数百万元，其报废导致的经济损失极为高昂。更为要紧的是，有的关键零件的加工周期很长，重新制造将需要很长的时间，往往引起飞机研制进度拖延。因此，如果有高性能修复技术能使这些零件起死回生，将是极有价值的。成飞迅即立项，委托实验室研究飞机大型关键零件的激光修复。由于激光修复技术的价值已得到证实，成都飞机公司、西安航空发动机公司和某飞机修理厂都已购买了西工大为他们的重要产品专门研制的激光修复设备。其中有的设备可以修复数米大的飞机零件。

　　装备技术是激光成形团队一个极为重要的研究内容。先进的技术离不开装备的支持，技术的成熟性最终要以工艺和装备的完整性和成套性来体现。黄卫东团队从研究伊始就非常注重激光立体成形设备的研发。从最初只是研制实验室必不可少的装备，到提供工业企业商用。2007年，研制出国内首套商用LSF-型激光立体成形制造装备，迄今已为中国航天科工集团、西安航空发动机公司、成都飞机制造公司等5家国内外企业提供商用激光立体成形与修复再制造装备。目前国际上能够提供产业使用的激光立体成形装备的代表性公司有美国的Optomec公司，POM公司，德国的Trumpf公司，国内仅西北工业大学提供了商用装备。一家国际著名激光加工装备制造公司的销售人员说：“看来我们只能放弃与你们竞争，转为合作。”中国商飞与实验室的合作，就是缘于吴光辉总设计师在航天科工集团看到实验室研制的激光成形装备。

　　装备研究是凝固技术国家重点实验室最重要的研究传统之一，凝固技术国家重点实验室目前80%以上居于国际前沿的先进装备都是实验室人员独立研发出来的。不过，激光立体成形装备毕竟与传统的凝固装备不同，特别是涉及到了激光器的精确控制、零件的三维造型和剖分、环境气氛的精确控制、以及材料送进方式等，都对装备在系统设计和制造方面提出了非常高的要求。为了解决这些问题，团队成员分工协作，一遍遍地查资料，一遍遍地做测试，一遍遍地检查，一点点地琢磨，常常为了一个问题的解决通宵达旦地工作，最终硬是凭着不懈的努力，把一个个难题啃了下来。就拿材料送进系统来说，初看似乎是一个简单的东西，把粉末送出来就行。但是对于激光立体成形来说，一方面要求必须具有充足的送粉量，这要求送粉管不能太细，另一方面还要求送出的粉末流直径要和激光束斑的直径相当，并准确投射到激光形成的小熔池中，以保证沉积效率和成形几何和表面精度。开始的时候采用的是热喷涂的送粉喷嘴，送粉量是足够了，但是送出的粉末流直径达到了近10毫米，而早期中等功率可用的激光束斑直径通常也就是2—3毫米，也就是说，在成形过程中粉末被大量散失掉了。这一方面使得成形效率大大降低，另一方面散失的粉末粘在熔池以外的零件表面上，搞得零件表面坑坑洼洼。直到有一天，团队里一个原来搞航空发动机气动设计的人员在做实验时发现了这个问题，指出送粉喷嘴必须要做气动设计，才可能控制粉末束的流态。为此，大家啃起了气动原理资料，学习从发动机气动原理到高速风洞的流道设计的相关知识，找到了喷嘴设计的气动原理。经过了一次次的失败，终于将粉末流直径从近10毫米减小到了近1毫米，大大提高了送进系统的粉末汇聚性和流量稳定精度，使得采用该送粉喷嘴制备零件的成形精度和表面光洁度达到了国际先进水平。像这样刻苦攻关解决的问题还包括过程监测和反馈控制系统、气氛控制系统、成形CAPP/CAM及集成控制软件等。所研制的装备能够实现各种金属材料，包括高活性的钛合金、锆合金和铝合金的复杂结构零件的无模具、快速、近净成形以及修复再制造。

　　到2007年，黄卫东与团队骨干合作撰写并出版了本领域中国首部专著《激光立体成形》，这也是国际上第二部涉及激光立体成形的专著；2008年，高性能致密金属零件激光立体成形理论、技术与装备获得陕西省科学技术一等奖。