心中有信仰 腳下有力量
——記清華大學成形裝備及自動化研究所團隊

杜月嬌

1914年11月5日，梁啟超先生在清華園作了一場題為“君子”的演講。在這次演講中，他鼓勵清華學子“崇德修學，勉為真君子”，如此方能“挽既倒之狂瀾，作中流之砥柱”。也是在這次演講中，他著重闡述了“天行健，君子以自強不息；地勢坤，君子以厚德載物”的精神。從此，“自強不息，厚德載物”被寫入清華大學校訓，成為一代代清華人的精神源泉。

誕生于國家和民族危難之際，成長于國家和民族奮進之中，發展于國家和民族振興之時——轉眼間，清華大學已經走到了110歲華誕，而“君子”之道也已經穿過百年時空，走出了扎根中國大地，建設世界一流大學之路。

“這是一條知恥圖強、堅持正確方向之路，一條又紅又專、堅持立德樹人之路，一條行勝于言、堅持服務國家之路，一條人文日新、堅持改革創新之路?！庇们迦A大學校長邱勇的話說，清華人最高的榮耀，就是把自己奮斗的足跡印刻在民族復興的偉大征程上。

110年，歲月崢嶸，自強成就卓越。110年，薪火相傳，創新塑造未來。在歷史積淀中，這是清華人的底氣，也是清華人的共識。

清華大學成形裝備及自動化研究所團隊合影（前排左起：龐媛、張婷、熊卓、馬慶賢、蔡志鵬、林峰、常保華、徐弢、姚睿、孫超；后排左起：張磊、李克儉、鄭軍、趙滄、袁朝龍、韓贊東、孫振國、劉瞿）

成長在這樣的土壤中，清華大學機械工程系成形裝備及自動化研究所的底色也是自信從容的。在這里，有這么一群人——他們“頂天立地”，努力實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破，勇于攻克“卡脖子”的關鍵核心技術，摸準產業的脈動解決了一個又一個實際工程問題。憑著科技創新的硬實力，他們在清華園里書寫著自己的“君子”之道。

在傳承中發展——知難而進走出君子之道

清華大學機械工程系，始建于1932年，是清華大學最早成立的工科系之一，也是中國歷史最悠久的工程學科院系之一。

櫛風沐雨90載，清華大學機械工程系經歷過南遷北上，經歷過院系調整，但不管哪一個時期，機械工程系都沒有忘記成立之初的宗旨——“造就各項機械工程專門人才，適應國內社會需要”。清華大學成形裝備及自動化研究所就是在這方厚土上生長起來的。

“知難而進，勇于攀登；團結合作，共同戰斗；只求貢獻，淡泊名利。”在成形裝備及自動化研究所，成員們提到最多的就是這段話。而這段話出自著名焊接專家、中國科學院院士潘際鑾。

作為中國焊接科學技術的奠基人之一，20世紀50年代，潘際鑾與其他先輩共同創建了我國最早的焊接專業。但他也是自1950年師從蘇聯焊接專家普羅霍洛夫起，才正式接觸這一專業。原因只有一個：國家需要什么，就做什么。

很快，新的挑戰來了。1959年，我國決定啟動燃氣輪機壓氣機焊接轉子研究。焊接轉子是世界能動裝備制造行業中的頂尖技術，也是能動裝備制造商的核心技術。由于門檻過高，從1930年瑞士造出世界第一根汽輪機焊接轉子開始，該技術長期壟斷在國外極少數廠家手中。在1962年到1964年我國第一根焊接轉子的研發攻關中，潘際鑾、蘇毅、羅志昌、洪忠許、胡百僖、吳志強、鹿安理等老一輩清華科學家作出了重大貢獻。為了盡快實現目標，他們常駐到工廠一線；沒有先進的計算設備，想要搞清一個變形問題，他們手工計算的稿紙可能就要堆滿房間。但就是在這樣的環境下，1964年，他們就在上海電氣成功焊接了中國第一根6MW壓氣機轉子。這是我國大型部件焊接制造的一個里程碑，為我國電站設備、大型動力裝備等關鍵部件的自主制造作出了重大的貢獻。

數十載的科研生涯中，潘際鑾一直在迎接各種挑戰。他完成了中國自主生產的第一套核反應堆焊接工程，成功研發了中國第一臺電子束焊機；研制的爬行式弧焊機器人，屬國際領先水平；為國內第一條高速鐵路京津城際高鐵的開通作出了重大貢獻……

2008年始，為了攻克“華龍一號”核電低壓焊接轉子的制造難題，清華大學與上海電氣等單位聯合開展國家重大專項技術攻關。彼時，蔡志鵬已經加入潘際鑾團隊，幾乎常駐在一線車間里，他對潘先生最直接的印象就是勇往直前的“大膽”?！芭死蠋煹乃季S不受局限，只要他覺得這件事對國家有用，就敢想敢干，特別大膽?！?/p>

現在，蔡志鵬已經是成形裝備及自動化研究所所長。在他看來，以潘際鑾先生為首的老一輩科學家創造的，不僅是一個個標桿性的科技成果，更有可以傳承發揚的精神財富。他們以國家需求作為奮斗的方向，把“知難而進，勇于攀登”沉淀成了行為準則，一直影響到今天成形裝備及自動化研究所的成長與發展，影響到在研究所奮斗的每一個人。

組織調控和制造可靠性——以人為本凝聚“戰斗”力量

剛參加“華龍一號”項目時，蔡志鵬34歲。

“‘華龍一號’里的汽輪機低壓焊接轉子，是核電的關鍵部件，也是核電自主化的控制性構件。過去只有日本、德國、法國能生產出來，嚴重制約了我國核電發展?！辈讨均i回憶道。

核電低壓轉子就是典型的能動裝備。能動裝備不給力，國家發展就會被“卡脖子”。但真干起來也不容易。作為我國自主研發的第三代核電機組，“華龍一號”中的汽輪機低壓焊接轉子，是目前世界上尺寸最大、重量最重的汽輪機轉子，運轉時每分鐘轉速高達1500轉。更重要的是，這根轉子需要在高溫、濕蒸汽環境下安全服役60年，不能出任何問題?！叭绻l生脆性斷裂，就會造成災難性事故。我們必須從提高韌性的角度開始研究，使其充分滿足核電要求?！辈讨均i說。他們的目標就是解決核電低壓轉子強度和韌性相互制約的關鍵性難題，而最終，他們的成果也在我國首臺百萬等級核電“華龍一號”機組汽輪機低壓轉子的成功研制上發揮了重要作用。

2021年5月20日01時15分，“華龍一號”海外首堆工程——卡拉奇核電站2號（K-2）機組正式投入商業運行，預計年發電量約90億千瓦時。卡拉奇核電項目，是巴基斯坦國內目前最大的核電項目，也是中國首個“華龍一號”國際化落地項目，是國家“一帶一路”宏偉藍圖指引下落實的重要項目。蔡志鵬團隊耗時10年的創新成果在該項目的焊接轉子中得到應用。

2011年，剛進入“直博”階段的李克儉就加入了卡拉奇項目?！八邪l的焊絲非常厲害?！辈讨均i忍不住贊揚起來。2018年5月，以李克儉為第一完成人的“一種用于異種鋼焊接接頭的高熱強性焊絲”，正式申請國家發明專利并終獲授權。

據介紹，大量的火電、核電高溫構件在制造過程中均會涉及異種鋼的焊接連接問題。不同鋼種之間的焊接連接，以及相同鋼種之間使用不同于其成分的焊材連接形成的焊接接頭都可稱為異種鋼焊接接頭，其中低合金貝氏體耐熱鋼與高合金馬氏體耐熱鋼之間的焊接接頭是發電、石油、化工行業中較為常見的異種鋼焊接接頭。這兩種被連接鋼種之間較大的Cr元素含量梯度，為焊材的選擇提出了較大的挑戰。

“我們需要一個特種焊絲，原本用的是法國的產品，其中一個性能不達標，但法國的焊絲已經是當時行業內最高性能的產品了。”后來，李克儉和蔡志鵬決定自己做更匹配的焊絲，他們研制了低C活度、以M23C6及MX為強化相的專用焊絲，解決了接頭碳遷移、異種鋼回火以及高溫持久強度不足的綜合難題。當他們按照標準交出了幾百公斤焊絲時，合作方十分嘆服，畢竟在大眾眼中，做產品，并不是高校的特長。最終，相關成果被應用于我國第一根超臨界12%Cr異種鋼轉子（2016年投運），以及我國第一根百萬等級620℃超超臨界異種鋼焊接轉子上。

“我印象比較深刻的是在2017年，合作方發現焊接的時候總是出現不規則氣孔，還一直找不到原因?！崩羁藘€說。一個核電轉子的產值以億元計，一旦出問題，損失巨大。經過認真調研與分析，清華的團隊通過焊絲表面檢測找到了主要原因：原本用于CO2氣保焊的焊絲，表面清潔度不能達到TIG焊的要求。

“我們要把焊絲表面的油污洗下來。選擇高極性溶劑可以洗得很干凈，但由于溶劑揮發性強，也會給分析設備造成一定的損傷。”團隊成員季文說，她至今都記得，為了選到性能最好且不損壞設備的溶劑，他們做了多少努力。

在來清華大學機械工程系讀博之前，劉瞿是中船重工第七二五研究所特種焊材研制中心的工程師。他的工作主要是面向國家高性能參數重大裝備自主制造的需求，開展材料微觀組織調控與制造可靠性的理論研究以及新材料和新工藝的實踐研發。加入蔡志鵬團隊后，他主要負責焊絲的國產化研究，使其高性能、低雜質含量等方面得到有力的保障。2021年下半年，他們有望將國產焊絲用于核電重大產品上，打破國外在高性能焊絲上40年的壟斷。

“我們這個團隊叫作‘組織調控和制造可靠性’團隊，重點方向有兩個：一是上面講述的面向國家重大需求的能動裝備制造研究，潘際鑾院士為我們的能動裝備制造研究打下了良好的基礎；二是通過電磁場提升工業基礎件壽命與可靠性的研究，我們將之命名為‘正鈞技術’。”蔡志鵬介紹道。

“正鈞”兩個字，是團隊成員集思廣益的結果?！罢币鉃椤罢{整”，“钅”代表晶體類材料，“勻”指圍觀缺陷均勻化?！罢x”即為通過調整晶體類材料的微觀缺陷使之均勻化，提升服役性能。該技術適用于各種硬質合金、高速鋼、金剛石、CBN等材料（含涂層）制成的機械加工刀具、軸承、齒輪、液壓泵閥及其他存在磨損失效的工業基礎件。

以高端刀具為例，改善刀具的耐磨性能是提高其使用壽命，提高生產效率的有效途徑之一。2016年起，課題組的吳瑤開始與格特拉克（江西）傳動系統有限公司合作，結合南昌工廠現場CBN刀具使用與加工生產情況進行工業化驗證。該公司車間技術員兩年后在論文《正鈞技術在硬車刀片中的應用》中寫道：“經強化的刀具壽命提高大約30%。經過大批量正鈞化處理使用，刀具成本每年可為我司節約30余萬元。”

2018年，清華大學聯合廈門金鷺特種合金有限公司、成都飛機工業（集團）有限責任公司、北京航空航天大學等單位申報的國家科技重大專項“航空鈦合金結構件高性能加工技術成套工藝研究與應用”正式啟動，幾年下來，正鈞技術在高端刀具的工業化應用方面取得了長足的進步?，F在，吳瑤帶領幾位年輕人，每年都要承接數以萬計高端刀具的正鈞處理，正鈞技術在行業的影響力也逐漸形成。

“我國高端刀具依賴進口的問題仍然很突出，而通過正鈞技術實現國內相關產品可靠性和穩定性的升級，可以為國家自主裝備的高端制造作出貢獻?！眳乾幹毖裕褪潜贿@種情懷吸引留在蔡志鵬團隊的。而今，他與季文、王恒、馬雷等人已經成為該方向上的主力干將。

除了高端刀具，正鈞技術在提升高端軸承壽命與可靠性方面也有重大作用。比如，蔡志鵬團隊與中國航發哈爾濱軸承有限公司聯合進行航空發動機國產主軸軸承正鈞強化研究。實際測試表明，正鈞技術非常顯著地提高了軸承的壽命與可靠性，這為提升國產高端軸承的性能提供了一條新的途徑。目前，蔡志鵬團隊得到了國家科技部、國家自然科學基金委的大力支持，正在合作開展更深入、更系統的研究工作。

蔡志鵬

“機理透徹、應用可靠”是正鈞技術團隊孜孜以求的方向。在機理研究方面，正鈞人利用清華大學交叉學科的優勢，嘗試單晶硅、極性溶液等簡單體系電磁場作用前后理化性能的變化探究作用的機理，并努力尋求預測正鈞強化效果的檢測原理與方法；在應用方面，地勘用鉆、樁機用截齒、新疆摘棉錠、鈦合金葉片正鈞后都取得了喜人的效果。

蔡志鵬很高興看到這群80后、90后日漸強大。在這個團隊中，他們是可以把后背交付對方的“戰友”，平日里有各自獨立的研究，但當項目需要時，又會集結到一起共同“戰斗”?！拔覀兊姆諊貏e好，”蔡志鵬真誠地說，“我曾經從潘際鑾院士那里受益匪淺?，F在有了一些經驗和判斷力，也希望能打造出一個‘芭蕾舞’舞臺，只要他們跳的是‘芭蕾舞’，想怎么跳，我都支持。”

作為一位70后帶頭人，蔡志鵬尤其愿意去發現成員們的閃光點?！皡乾帯⑼鹾?、馬雷去現場測試刀具基本就睡在車間，工人們有倒班，他們擔心中間出狀況，都是全程跟進。劉瞿今年5月剛正式入職，立馬就去華中科技大學，處理航發關鍵構件組織分析的難題……”在他看來，未來要規劃、團隊要發展，就得以人為核心。他樂于看到他們腳踏實地，做絕不摻假的科研；更樂于看到他們能生活得有尊嚴?！叭撕昧?，才能做出更好的成績來。”

相對之下，團隊的每一位成員也有著明確的目標，就是“通過努力把技術推廣出去，應用好”。用王恒的話說，“技術做出來，能得到認可，就是最大的榮耀”?！拔覀冏约旱墓に嚕涍^現場測試后，能得到一個比較好的結果。哪怕過程很辛苦，拿到這個結果我們都非常興奮。”馬雷補充說。

蔡志鵬團隊曾收到過一面來自上海汽輪機廠的錦旗，上面寫著“為核電重器鑄基石，助火電高超登新峰”。對成員們來說，這是一個莫大的鼓舞，也讓他們對未來滿懷信心?！艾F在，我們國家正在從制造大國向制造強國過渡，從過去的跟跑、并跑走向領跑。我們能做的就是，未來在高端能動裝備，包括發電裝備、航空發動機、高端工業基礎件上作出大建樹。”

重型裝備研發——讓中國“極端制造”引領世界

2003年，中國工程院《發展我國大型鍛壓裝備研究》咨詢組（組長為師昌緒院士）的調研報告明確指出：“難變形合金擠壓機在我國還是一個空白，已經制約了相關裝備尤其是軍用先進航空發動機的發展?！?/p>

這份報告針對的是21世紀初的國情。當時，我國使用的大型自由鍛水壓機已經進入了壽命后期，故障增多、鍛造能力下降，嚴重影響了產品生產。清華大學機械工程系教授顏永年曾經對自由鍛造法的“浪費”情況深表惋惜?！耙粋€大管鍛造完成需要兩個多小時，進行再加工后，材料利用率還不到14%?！?/p>

一個嚴峻的問題是：對于60萬千瓦以上超臨界、超超臨界火力發電項目來說，大口徑厚壁無縫鋼管必不可少。而此時國內用于火力發電站和石化行業的高品質大口徑厚壁不銹鋼管全部依賴進口。

怎么辦？想要在這方面自給自足，已經顯出頹勢的傳統自由鍛水壓機是供給不了的。相比之下，業內更看好垂直擠壓技術的前景。在長期壟斷該技術的美國威曼·高登公司，采用成熟的無縫管垂直擠壓生產技術，30秒就能生產1根鋼管，且材料利用率高達85%。不過，他們將該技術視為“國家核心技術”，拒絕對外轉讓。2004年，北方重工前往美國考察，兩次均鎩羽而歸，而后，他們在全世界范圍內尋找能轉讓該技術的廠家，也一無所獲。被人“卡脖子”的滋味不好受，我國決心自主研發3.6萬噸黑色金屬垂直擠壓機（360MN垂直擠壓機，簡稱“360工程”），由北方重工挑大梁，而他們選擇的合作對象，就是清華大學機械工程系顏永年團隊。

作為“3.6萬噸垂直擠壓大口徑厚壁無縫鋼管工程”中清華團隊主要成員，吳任東、張磊還是第一次接到這種級別的重型壓機項目。

重型壓機有多重要？學界認為，擁有重型壓機裝備是美國、法國和蘇聯成為航空產業三巨頭的關鍵因素之一。畢竟，缺乏重型擠壓機和重型模鍛液壓機，就意味著無法生產重型核電鋼管、大直徑渦輪盤等——這也是我國發電設備用大型鑄鍛件長期依賴進口，航空用大型承力件只能用其他辦法代替的重要原因。

重型壓機研制有多難？以我國二重集團的8萬噸模鍛壓機項目為例，該項目從20世紀80年代就開始論證了，但直到2007年才正式開工建設，2013年初步建成開始試生產，歷經30多年。

可從2005年開始接手做初步方案，顏永年團隊只用4年時間就設計研發了當時世界上最大噸位的黑色金屬垂直擠壓機組——3.6萬噸擠壓機和1.5萬噸制坯壓機。作為“新時期十大標志性技術裝備之一”，“360工程”取得了鋼絲纏繞結構、預應力剖分結構等重大技術創新；創造了大流量高壓油泵直傳、采用液壓提升技術安裝、大尺度原位纏繞預緊等多項世界第一。

令他們感到自豪的是：從1999年到2018年期間，他們持續為廣東科達、恒力泰公司設計并持續監測大噸位預應力鋼絲纏繞結構的板材壓機。產品噸位從4800噸到3.6萬噸等幾十個型號。每年生產400臺以上，到2018年共生產銷售壓機1萬臺以上，目前全世界在線工作的壓機有6000臺以上。以前那種“6年建一個核電站，3年時間在等鍛件”的時光一去不復返了。他們的研究，真正打破了美、德、日三國壟斷，改變了國內大口徑厚壁無縫鋼管大量依賴進口的局面，使中國第一次進入世界耐高溫高壓厚壁成型材料的“極端制造”領域。

經此一役，團隊得到了充分的成長。作為團隊骨干之一，張磊也在“3.6萬噸垂直擠壓大口徑厚壁無縫鋼管工程”中嶄露頭角。2008年，團隊接受了新的挑戰：要設計一臺以航空模鍛件生產為主的400MN模鍛液壓機。針對航空模鍛件產品的特點，400MN模鍛液壓機采用了單缸-單機架布局，即采用一個主液壓缸產生400MN的額定鍛造力，一個雙柱機架承載所有鍛造力。一旦成功，該主缸將是當時世界上最大的模鍛液壓缸。張磊頂住了這份壓力，在顏永年教授提出的剖分坎合基礎上提出了微坎合技術，完成了400MN模鍛液壓機的設計和制造。2012年，該項目順利投產，生產出了國內第一件細晶化大型A100鍛件、國內目前投影面積最大的鈦合金整體鍛件等，是起落架、承力框、渦輪盤等鍛件的主力生產裝備，在國內目前新一代航空器和航發鍛件的生產中發揮了重要作用。

而從2012年開始，吳任東要設計研發另一個多功能壓級機組——6.8萬噸多功能機和2.6萬噸制坯壓機。袁朝龍副教授加入團隊時，正趕上這一項目。

研究所部分教師在“先進成形制造教育部重點實驗室”與“生物制造與快速成形北京市重點實驗室”標牌前合影

加入吳任東團隊之前，袁朝龍的工作重心是大型鍛件成形工藝研發。在他看來，6.8萬噸多功能模鍛擠壓機最大的特點是集模鍛與擠壓功能于一身?！皵D壓和模鍛兩個工藝的要求不同，擠壓是為了能成形，要求用最快的速度和最大的力，因為一旦慢下來，鋼筋容易涼，就擠不動了。而模鍛要求受力要均勻、速度要平緩，速度過快的話，容易發生斷裂?！?/p>

為了將看似矛盾的兩個功能加以兼容，吳任東團隊采用了全新的擠壓/模鍛工模具的結構形式，不僅從根本上改善了工模具在擠壓/模鍛過程中的受力受熱狀態，大幅度提高了工模具的使用壽命，還能夠在24小時內完成功能切換。

2015年，團隊完成了擠壓和模鍛功能的熱調試，在青海成功擠壓出同口徑下立式擠壓鋼管中世界第一長度的無縫鋼管。到2020年，世界擠壓類第一大口徑TC4鈦合金管也在青海誕生，其外徑700毫米、內徑430毫米，壁厚135毫米，長6.5米。

6.8萬噸擠壓和模鍛雙功能重型壓機的成功，改變了一個格局——此前，世界上還沒有過3萬噸以上大噸位壓機能同時具備擠壓和模鍛雙功能，中國的這一成果屬于全球首創！這意味著，在這一方向上，中國填補了國際空白，打敗了國外技術和產品的雙重壟斷。

以功能論，多功能壓機擠壓功能在全球排名第一，模鍛功能在全球排名第三。以應用論，其出現將為我國飛機制造、電力、石油化工、軍工、船舶等領域的發展奠定基礎，對于提高我國工業水平和中國工業在世界的地位具有深遠意義。目前，該多功能壓機已經被中車和商飛等單位聯合收購，并在此基礎上成立了中鈦青鍛公司。

對吳任東團隊來說，他們是走通了一條路，用實力證明，我國擁有制造萬噸級重型設備的能力。在這個領域，任何一個國家去開發，都要面對來自設計、制造、運輸、安裝等多方面的壓力，所以萬噸級重型設備才會被稱為“極端制造”，而在極端制造上的水平也成為衡量一個國家制造能力的標志。當6.8萬噸擠壓和模鍛雙功能重型壓機顯示出遠超世界同類其他設備的水平，自主制造萬噸級重型設備看起來已不是難事，但吳任東團隊卻保持著清醒。在他們看來，隨著電站功率增大及海上鉆油深度不斷增加，對厚壁鋼管的口徑及長度，都會提出更高的要求。他們還有的忙。

“以現有產品為目標的重型壓機已基本建設完備，接下來就會進入優化生產工藝階段。我們還應該開拓新型產品，以引導重型壓機裝備行業的發展?！蹦壳?，吳任東團隊還有很多在研項目，比如：大型寬幅鎂合金板材擠壓工藝和設備、大型車軌轍叉整鍛工藝和設備等。而如果要劃一個重點出來，就是“16萬噸壓機”，因為其牽涉大型飛機的制造。對于這個難度系數，吳任東團隊已經有了心理準備，為了大型飛機的發展，再難的硬骨頭，他們也要“啃”下來。

“我們真正的目標是讓中國極端制造領跑世界?！眳侨螙|表示。

生物制造——有“活力”的成形制造技術

21世紀走進第二個10年時，3D打印仿佛橫空出世一般出現在公眾面前。人們認為，在不遠的未來，3D打印技術將會打破虛擬世界與實體世界的鴻溝，引發一場產品制造的革命和設計的革命，給材料科學和生物科學帶來翻天覆地的變化。

但很多人不知道，嚴格來說，3D打印其實算不上多新鮮。在“3D打印”這個名字被推廣開之前，它還有另兩個名字：快速原型制造和快速成形技術。早在1988年，“中國3D打印第一人”顏永年教授就接觸到了這一技術。在這之前，他已經在金屬材料鍛壓成形工藝和設備，特別是預應力結構的重型模鍛設備與工藝上有了深厚的積累。甚至1988年去美國的那次訪問，他本來的目標也是學習水射切割技術。沒想到在偶然得到的一張宣傳單上，他對“快速成形技術”一見鐘情。

“從事成形科學和材料成形的人容易看到它的本質和價值?！鳖佊滥暾f。因為鍛造需要用到模具才能將零件做出來，而模具開發是一個非常漫長的過程。這時，如果能利用快速成形技術，將物體從數字模型直接轉換成物理模型，就意味著可以取消模具設計環節，整個制造周期將大大縮短。

回國后，顏永年在清華大學成立了國內首個快速成形實驗室，建立了清華大學激光快速成形中心，他也是清華大學材料加工自動化研究所第一任所長和清華大學生物制造研究所第一任所長?？梢哉f，從那時起，他的選擇影響了清華大學在3D打印事業上的整體進度。

比如清華大學機械工程系長聘教授林峰，他自1990年起跟隨顏永年教授研發預應力鋼絲纏繞和重型液壓機技術，1992—1998年間跟隨顏永年攻讀博士學位，開始快速成形技術的研發?！澳菚r候我對3D打印或者說快速成形的重要性，并沒有深刻的認識。但受顏永年老師感染，我們也逐漸產生了很大的興趣?！?/p>

林峰

久而久之，林峰也開始認同導師顏永年的想法——3D打印不光要制作復雜結構的模型，更重要的是要進入工業制造領域，要能夠制造航母、高鐵、飛機、核電站、火電站等需要的金屬零件。而他也將研究方向鎖定在電子束選區熔化（EBSM）金屬增材制造（3D打印）技術上。

電子束選區熔化（EBSM）技術是一種利用高能電子束，逐層選擇性地熔化沉積零件截面內粉末的增材制造技術，具有制造復雜、精密金屬構件的能力。由于電子束比激光的功率高，材料對電子束能量的吸收率也遠遠高于對激光的吸收率，因此相較于目前比較普遍的激光選區熔化（SLM）技術，EBSM技術具有能量利用率高、材料適應面廣、粉末床溫度高、真空環境等技術特點，是一種高效、低應力、低成本的增材制造技術，特別適合難加工高性能材料復雜零件的規?；a，被認為是航空航天、核電能源、醫療器械等領域最具前景的金屬增材制造技術之一。

早在2002年，瑞典Arcam公司就推出了他們的EBSM技術。而林峰也從2004年開始自行研發相應技術，并實現了金屬EBSM裝備的自主研發和產業化，形成了面向科研、醫療器械和航空航天領域3個系列的EBSM設備。在此基礎上，他們又進一步與航天科工集團、中國航發集團、中國商發、中國商飛北研中心等合作，相繼實現了難焊高溫合金Inconel738/M247、鈦合金TC4/TA15、鈦鋁合金TiAl4822、難熔金屬鎢等高性能難加工材料的EBSM成形。經過多年的自主研發，他們憑實力打破了國外公司的壟斷，使我國成為繼瑞典Arcam公司（已屬美國GE公司增材板塊）之后，世界上第二個掌握EBSM技術和裝備的國家。

3D打印現在已經成為一個研究的熱點。然而在其不長的歷史上，無論在中國，還是在國際上，3D打印都曾經跌入過低谷。20世紀90年代后期，3D打印技術遇到了“瓶頸”：制作的“原型”強度較低、功能較差，難以大規模應用。直到2000年之后，這一情況才由于金屬增材制造和生物制造的出現逐漸得到逆轉，世界各國紛紛將3D打印作為未來產業發展的新增長點加以培育。2012年，美國將“增材制造技術”確定為首個制造業創新中心，歐盟、日本、韓國、新加坡、俄羅斯、南非、印度等地區和國家也通過各種措施推進3D打印產業發展。

在我國，王華明院士（現擔任清華大學“先進成形制造教育部重點實驗室”學術委員會主任），帶領北航團隊實現了用激光直接制造金屬大型復雜構件的創新突破，使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成形技術并實現裝機應用的國家。而在清華大學，顏永年教授團隊將快速成形引入生命科學領域，研發了多種生物材料快速成形技術和裝備，使清華大學成為國內生物3D打印技術的引領者。

“增材制造要想進一步發展，還有很多瓶頸問題，我們希望能有所突破和創新，建立中國自己的技術體系。這是我們的使命和責任?！绷址蹇偨Y道，“值得自豪的是，我們在3D打印上有自己的歷史和傳統，在這個領域，我們不是跟跑，而是引領。”

“引領”，同樣的標簽也出現在清華大學機械工程系長聘副教授熊卓的記憶里。作為“三清博士”，熊卓對清華大學在生物制造上的發展線十分熟悉。事實上，他從1999年就開始從事組織工程支架的3D打印研究，也是國際上最早開展細胞3D打印的研究者之一。

“我們走的是細胞－材料單元的堆積路線?！毙茏空f。2004年11月，熊卓和導師顏永年等人申請了國內這一領域的第一個專利：“一種細胞－材料單元的三維受控堆積成形方法”。在該方法中，他們根據預先設計的結構和路徑，將各種細胞－材料溶液的混合物分別通過不同的噴頭擠壓或噴射出來，形成細胞－材料單元，堆積到空間指定位置；在相應的觸發條件下，形成一定形態和強度的細胞－材料凝膠；再通過逐點逐層的堆積，得到具有一定機構的組織器官雛形。

同年，熊卓還主持了國家自然科學基金委在細胞3D打印領域的第一個資助項目——“細胞與細胞/材料微滴的裝配成形及其生物學基礎研究”。2005年，他所在的團隊發表論文，對“生物制造工程”進行了定義。憶及當年，熊卓言語間繞不開對“活細胞”的堅持?！叭梭w細胞不是簡單的聚集，它們存在復雜的細胞外基質。我們所做的，就是把細胞和它們的基質像一個整體單元一樣組裝起來，這樣細胞能‘活’起來，長出高級的結構?！?/p>

熊卓中間也離開過一段時間。2020年全職返回清華后，他的狀態調整得極為自然。在機械工程系生物制造中心內部，他和同事張婷共同組建了生物打印與再生工程（BRE）團隊。他們在復雜組織器官三維打印構建新技術和面向個性化治療的體外三維腫瘤模型研發上，展開了一系列工作。

“重塑完美，栩栩如生”，熊卓辦公室里掛著這樣一幅字。早在2000年，清華大學派出了一支學生創業團隊參加在斯坦福大學舉行的全球創業計劃挑戰賽“Entrepreneurs Challenge 2000”，他們的參賽項目是機械系激光快速成形中心成果孵化的“博創生醫激光快速成形公司”。熊卓至今還記得，團隊出發前為了擬定一個響亮的口號苦思冥想的場景，最終，還是一旁“打醬油”的自動化系1994級朱鵬翔同學脫口而出這八個字。雖然那次比賽他們惜敗于斯坦福大學閃存技術創業團隊，可20年后，“閃存”風光不再，“生醫激光快速成形”卻成為科技界、產業界紅紅火火的“生物3D打印”。想到那段經歷，熊卓心中總是激蕩起一股澎湃的力量，這次重返清華，他也要繼續朝著“重塑完美、栩栩如生”的目標堅定前行。

“世紀之交，以顏永年老師為首，我們在細胞打印上的工作影響了中國近20年的研究。那現在我們這代人怎么才能影響未來20年呢？我們要站在學科前沿，這才是清華該干的事情?！闭劦浆F狀，熊卓鄭重地說。

熊卓

“清華該干的事”，對生物制造團隊的每一個人來說，既然如今站在清華園，“創新爭先”就是當仁不讓的事。如今，生物制造團隊逐步形成了一支年輕有活力的教師隊伍。

張婷副研究員，本科和博士均畢業于清華大學機械系，具有多學科交叉學習研究的背景，在法國里昂中央理工大學、美國哥倫比亞大學生物醫學工程系Gordana Vunjak-Novakovic教授團隊、美國哈佛大學醫學院、布萊根婦女醫院Ali Khademhosseini教授團隊有求學和訪問經歷。自2004年開始，她就瞄準醫療健康領域重大需求，持續開展復雜結構組織器官的生物3D打印、組織/器官芯片及體外生命系統工程交叉領域的研究。她現任中國機械工程學會生物制造工程分會總干事，中國生物材料學會生物材料先進制造分會委員；先后主持國家自然科學基金、中韓國際交流基金，國家重點研發計劃課題等，作為骨干參與國家自然科學基金重點項目，原“863”計劃課題、“重大新藥創制”國家科技重大專項等科研項目十余項。

張婷認為：“生物3D打印領域面臨的關鍵核心問題是工程學‘自上而下’設計制造與生物學‘自下而上’發育生長的協調機制問題，而我所聚焦的復雜組織/器官的生物3D打印，更是需要實現從‘打印’到‘存活’，從‘形似’到‘神似’，在復雜結構組織的一體化制造、生物物理微環境的動態構建等方面，也亟須從‘技術’到‘裝備’，從‘原型’到‘應用’的關鍵技術突破?！?/p>

其中，血管化是實現組織/器官功能化的前提，其核心挑戰是突破氧和營養物質擴散的極限，實現微尺度血管網絡及跨尺度血管結構的重建。張婷及團隊針對心肌、神經、肌肉等一類異質結構且對缺氧極其敏感的組織的制造，提出異質結構血管化組織一體化仿生構建新策略，初步實現了各向異性組織的血管化與功能成熟，相關文章作為雜志封底文章及網站報道，被評價為“首次成功在定向支架內構建嵌合多級通道網絡的仿生心肌組織”，是“構建大尺度血管化心肌組織的最有潛力方法之一”。同時，聚焦3D組織/器官芯片及在藥物檢測領域的應用，開展3D類心肌組織、類腦組織、類肺芯片等對藥物響應的研究并取得進展。

張磊2001年開始師從顏永年教授攻讀博士學位，2006年博士畢業后留校繼續在團隊工作。在生物制造領域，他的主要工作方向圍繞人工血管及血管支架展開。他設計了多層結構仿生人工血管，試圖在體內實現血管再生；與安貞醫院合作，開展個性化可降解血管支架的設計和成形方面研究；與華信醫院合作，開展個性化覆膜支架的相關工作等。心血管系統疾病是影響人類壽命和生存質量主要疾病之一，張磊堅信生物3D打印技術和醫工結合可以為心血管疾病的治療提供更有效的器械和治療手段。

姚睿副教授于2005年投入細胞3D打印和再生醫學領域，至今持續研究16年。得益于在清華大學、麻省理工學院Robert Langer實驗室等一流實驗室的研究經歷，使她具備了扎實的學術功底和前沿視野。多學科的人才和堅定一致的信念，使姚睿及所帶領的團隊能夠瞄準醫療健康領域的“卡脖子”問題，探索獨特的工程化解決方法：提出靜電打印細胞微球技術，解決移植組織血管化困難的問題，發表多篇亮點論文，授權多項專利；提出三維微圖案定向分化技術，首次在體外分化獲得成熟的人體微肝組織，發表封面論文，授權多項專利；提出3D打印多層級支架技術，細胞擴增效率達到現有技術的100倍，發表封面論文，授權多項專利并進入轉化應用。“十三五”期間，姚睿牽頭獲得重點研發計劃青年科學家項目，在肝臟類器官、器官芯片、肝膽雙系統體外模型和肝臟疾病模型等方面取得進展，并作為“十四五”概算專家參與概算編制工作。

生物制造團隊另一位歸國學子是龐媛，師從日本動物實驗替代法學會會長、東京大學酒井康行（Sakai Yasuyuki）教授。構建高仿生的組織器官替代物用于臨床研究，是龐媛從博士學習以來的科研夢想和追求。感受到共同的科研目標，龐媛于2016年年底正式加入清華生物制造團隊，成為助理研究員。有著化學、藥學、生物工程交叉學科背景的她，在進入機械系這樣一個全新的環境后，開始更多地依托“工程的手段解決生物的問題”。面向臨床惡性腫瘤治療的個性化模型研究，是她加入清華團隊后主要開展的工作?！澳壳拔覈[瘤學研究創新力不足，‘卡脖子’關鍵技術亟待解決”，龐媛介紹說，“我們針對腫瘤組織結構學特征，開發了一系列新型的打印設備和工藝，從單細胞水平實現腫瘤復雜微環境重構，構建針對個體患者的仿生模型用于藥物篩選。”目前她已成功研制個體化的肝、膽、腎、胰腺等多種癌癥模型，與協和醫院、腫瘤醫院、北京清華長庚醫院開展廣泛合作，推動3D打印癌癥模型的臨床轉化。

歐陽禮亮也是清華自己培養起來的年輕老師。從清華大學博士畢業后，他前往英國帝國理工學院從事了3年半的博士后研究，目前擔任助理教授、博士生導師。他的研究聚焦在活細胞3D打印的形性協同這個方向，圍繞生物墨水材料、生物打印工藝、組織工程應用等方面開展了系列工作。以獨作身份出版1本生物3D打印英文專著（Springer出版社），在Science Advances、Advanced Materials等期刊發表系列研究論文，獲得GE基金會科技創新大賽一等獎、清華大學優秀博士論文和優秀博士畢業生等榮譽。

自2018年北京和上海分別成立腦科學與認知科學研究中心以來，中國版“人腦計劃”便如火如荼地展開了。于2020年12月入職的助理研究員宋宇博士緊跟研究前沿將生物制造技術與神經科學相結合，率先構建了體外長期具有生物功能性的類腦組織結構體，相關研究工作得到Physics World的專題報道。宋宇博士在北京科技大學張躍院士與美國里海大學Berdichevsky教授指導下的工作經歷，夯實了其在材料與神經科學方面的研究基礎，并為其致力于類腦技術的發展提供了有力保證。

而熊卓本人近期尤其關注空間生物3D打印。“生物3D打印是以計算機三維模型為‘圖紙’，裝配特制‘生物墨水’，最終制造出人造器官和生物醫學產品的新科技手段。而空間技術和微重力將給地球上的人類健康帶來深遠的益處。”據他介紹，空間微重力環境有利于柔性的生物材料打印成形，使細胞的聚集方式更接近人體組織，將會影響干細胞的增殖、分化等性能。

2021年6月17日，“神舟十二號”發射成功，3位宇航員將在中國空間站停駐90天。對于熊卓來說，這個好消息，意味著他對空間生物3D打印的判斷沒有錯。如果該技術發展成熟后，想要制造在空間或返回地球使用的人體器官和組織，將不再是夢?！霸趪H上，這項工作正是起步階段，國內還沒有相關團隊開始相關研究。”熊卓覺得，這個機會必須把握住。國際空間站退役在即，未來數年，“天宮”可能會是國際上唯一的在軌空間站。他和團隊覺得這值得拼一把，說不定就能真正超越呢。

現在，熊卓所在的BRE團隊正致力于開發基于微小衛星的空間生物3D打印工藝與設備，同時也在協調衛星資源開展在軌實驗，努力爭取空間生命科學研究領域 里程碑意義的成果。隨著2022年中國空間站建成并正常運營，通過微小衛星驗證的空間生物3D工藝與設備將有望利用空間站更豐富的資源條件，取得突破性成果。“人一輩子也就幾十年，總得做點有價值的工作?！毙茏空f。

腳下有力量——自信的清華不會畏懼問題

“2003年，研究所才成立。這些年來變化還是挺大的，但無論如何變化，研究方向一直都是圍繞國家重大需求。”副所長韓贊東說。

韓贊東

在研究所成立之前，潘際鑾院士主持研究的“新型MIG焊接電弧控制法”，就已經獲得國家技術發明獎一等獎；而從20世紀70年代初就從事金屬材料鍛壓成形工藝和設備研究的顏永年教授課題組以CIMS應用工程和預應力纏繞式液壓機技術也分別獲得國家科技進步獎二、三等獎。

成立以來，研究所逐漸成為“先進成形制造教育部重點實驗室”和“生物制造與快速成形北京市重點實驗室”的依托單位。面向科學技術發展和社會經濟建設需求開展基礎研究與工程應用，研究所涉及重型加工裝備、激光加工、增材制造、生物制造、航天裝備制造、能源裝備制造、機器人技術、先進焊接與連接、大型鑄鍛件成形制造、無損檢測等技術領域。

“我們研究所主要是搭建平臺給老師們提供服務。我們一直都很重視理論創新和產業應用并抓，比如產業應用上，所里一直在積極面對工程和市場，一旦發現哪個企業/工程的需求和某位老師的研究方向匹配，就會促成合作。但從本質上來說，我們和企業還是不同的，在研究所里，每一位老師都是相對獨立的，他們會在這個平臺上開展個性化研究?！?/p>

自從1997年博士畢業，韓贊東就在從事焊接工藝與過程控制、機電系統控制以及信號處理等方面的研究工作，直到2004年起，才因為學科發展需要將研究重點轉移到材料測試與無損檢測領域。過去十余年，韓贊東在無損檢測上的工作重點是圍繞高溫氣冷堆過球計數器展開的。“第四代核反應堆在換料時不需要停堆，但燃料裝卸過程中需要監測，我們的過球計數器能夠對此做出監測，以保證反應堆的安全運行。”韓贊東說，“核電站對檢測設備的可靠性、抗干擾、輻射環境適應性要求很高，所以這些年來我們一直在對計數器進行不斷優化。”

與這項能“做一輩子”的工作不同，近年來，韓贊東又承擔了北京市科技計劃項目“城市燃氣管網內檢測關鍵技術研究”?！拔磥眍A計會做與工業相關的銅管/鋼管檢測，”他表示，“過去高品質的銅管在線自動檢測系統多是德國設備，但咱們國家的銅管產量在世界的占比超過50%，不能在檢測上受制于人?！?/p>

研究所成員馬慶賢教授，在國家科技項目支持下，主持制定了大型鑄鍛件和厚鋼板技術標準，為三峽工程水輪機組鏡板、百萬千瓦級核電主管道等鍛件的成功制造提供了技術支撐。相關成果服務于國內外100多座水電站，700多臺機組及其他裝備涉及的裝機鑄鍛結構件30多萬噸，直接銷售額400多億元，為我國由水電大國躋身水電強國作出了貢獻。

馬慶賢

鄭軍副研究員2005年進入清華機械工程系。近年來，他主要致力于高端智能焊接技術的研究、開發和產業化推廣，先后獲得2018年度江蘇省揚州市“綠楊金鳳”領軍人才和2019年度江蘇省“雙創計劃”人才項目資助。所研發的技術和設備獲得了核級設備的焊接認證，實現了高端焊接的智能化，在十余項核電項目得到了批量推廣應用，取得了質量和效率的雙重認可。

長聘副教授常保華是歐盟瑪麗·居里學者，近年來面向航空航天先進結構的焊接及增材制造，在國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、歐盟瑪麗·居里基金等項目支持下，在輕金屬復雜結構激光焊接、單晶及定向凝固高溫合金結構修復、形狀記憶合金增材制造等方面開展了系統研究開發工作，部分成果在先進航空航天結構的制造中得到應用，為解決企業關鍵技術問題提供了技術方案。

已經是清華大學機械工程系助理教授、特別研究員、博士生導師的趙滄，主要研究方向為增材制造的關鍵機理探索和安全防護的先進裝備研究。他的工作涉及材料科學、凝聚態物理、光學、力學、機械等多學科交叉。近年來，他完成了美國先進光子源金屬增材制造同步輻射在線監測平臺的設計和研制，并深入研究了匙孔演化、液滴飛濺、匙孔氣泡等基礎問題?；诖耍麌栏穸x了激光加熱的3種模式，指出了增材制造中匙孔的廣泛存在性；發現了一種新的液滴快速飛濺機理；確立了匙孔氣泡缺陷區域的邊界，發現了一種新的氣泡缺陷起源機理。代表性論文發表在Science（兩篇）、Physical Review X等期刊上，而他本人也獲得中國科學院院長優秀獎、美國阿貢國家實驗室博士后杰出貢獻獎等。

清華大學長聘教授都東曾先后擔任材料加工自動化研究所和成形裝備及自動化研究所所長十余年，在能源裝備和航天航空制造領域取得重要研究進展和工程應用，并長期支持蔡志鵬、韓贊東、吳任東、鄭軍、常保華等各團隊在重大裝備成形制造領域的發展。同時，都東教授作為清華機械系成形制造學科召集人和先進成形制造教育部重點實驗室負責人，盡心竭力培養和引進學術人才，為機械系激光加工、微納成形、生物制造等方向的發展作出了突出貢獻，其中包括支持助理教授趙滄博士作為第一作者在世界著名學術期刊Science發表激光增材制造基礎研究成果。目前，都東擔任清華大學學位評定委員會委員和機械工程分委主席，曾指導博士學位論文針對智能制造技術開展研究，榮獲IIW Henry Granjon獎。

都東

“沒有碰到過解決不了的問題”，采訪過程中，他們對于自己在研究過程中遇到的難題總是輕描淡寫，似乎沒有什么值得他們去崩潰。只要他們想，辦法永遠比困難多。

這樣的心態下，清華大學成形裝備及自動化研究所呈現出“眾人拾柴火焰高”的面貌。正是有了每一位成員的努力，近年來，研究所照樣成績不菲。他們不乏國家獎，因彩圖科技百科全書、聲發射檢測技術應用成果先后獲得國家科技進步獎二等獎；主持設計的360MN黑色金屬垂直擠壓機組成功投產，打破國外技術封鎖，實現了大口徑厚壁無縫鋼管的國產化，獲得國家科技進步獎二等獎；將生物打印技術應用于婦產科臨床以及關鍵救治取得突出成績，分獲國家科學技術進步獎二等獎與軍隊科技進步獎一等獎。他們創造了里程碑式的成果，主持設計我國首臺400MN重型航空模鍛液壓機，實現了大型航空精密模鍛件自主研制和生產；自行研發的電子束選區熔化（EBSM）增材制造裝備，實現了產業化，使我國成為第二個能夠生產該類裝備的國家……

2021年4月16日，清華大學校長邱勇在110周年校慶“大學”系列論壇結束時做了一個致辭。他說：“自信的清華不會畏懼問題，我們將從問題出發，奮力邁向新的發展高度。”

對于未來，清華大學成形裝備及自動化研究所的態度也一樣。長路漫漫，他們曾經從挑戰中走過；未來可期，他們更不懼任何艱難。哪怕櫛風沐雨，他們也只有一個回答：心中如果有信仰，腳下自然有力量！