「增量化製造」---三維列印技術

帶來「第三次工業革命」的數字化增材製造技術[圖]

工業化的LSF-V大型激光立體成形裝備

所謂數字化增材製造技術就是一種三維實體快速自由成形製造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優勢，目前學者們對其有多種描述。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室的黃衛東教授稱這種新技術為「數字化增材製造」，中國機械工程學會宋天虎秘書長稱其為「增量化製造」，其實它就是不久前引起社會廣泛關注的「三維列印」技術的一種。西方媒體把這種實體自由成形製造技術譽為將帶來「第三次工業革命」的新技術。

這種為現代社會帶來強大衝擊和震撼的新技術起源於1988年誕生的「快速原型製造」技術。

1988年，美國3DSystem公司推出的SLA-250液態光敏樹脂選擇性固化成形機，標誌著快速原型技術的誕生。它採用一種立體光刻工藝，基於液態光敏樹脂的光聚合原理工作。通過一束紫外激光束在偏轉鏡作用下掃描照射樹脂使其固化，逐層製造得到一個三維實體模型。

快速原型技術採用了一種全新的無模具自由成形原理來製造三維實體零件，這種新型成形技術改變了傳統的製造技術路線。

我們知道，現有的材料成形方法採用的是減材成形等三種技術路線。以機械加工為例，加工一個所需的零部件，人們通過不斷去除材料來獲得所需要的零件形狀；熱加工的鍛造成形則是採用變形原理來成形金屬零件，也即使金屬材料在強大的機械壓力下改變形狀來獲得所需的零件；而鑄造、粉末冶金等方法採用的是「賦形+固化」的成形原理，也即先通過模具賦予液態或粉末狀的金屬材料以形狀，再通過冷卻凝固或高溫燒結的方法使材料固化來獲得具有所需形狀和強度的金屬零件。快速原型技術的成形原理與這些傳統方法截然不同，它採用逐漸增加材料的方法成形零件。因為這種成形方法不需要模具，因而又被稱為實體自由成形技術或快速成形技術。這裡，「自由」和「快速」都是指不需要模具來成形，省去了十分冗長的製造模具過程和昂貴的模具製造成本。

立體光刻技術產生後即風靡世界，很快就產生了許多不同技術類型的快速原型技術，如分層實體製造、選區激光燒結、三維列印、熔融沉積造型等。2008年全球領先的6家快速製造公司銷售收入已達6.96億美元，占該行業總收入近60%。沃勒斯報告（2012）預計3D列印和增材製造領域的2015年銷售收入可達37億美元，2019年可達65億美元。

我國學者迅速地跟進了這一世界新技術的熱潮，西安交通大學的盧秉恆院士、清華大學的顏永年教授、華中科技大學的王樹槐教授等是我國快速原型技術研究的先行者，並且都取得了卓著的成就。而黃衛東在國內首先創造性地發展的激光立體成形技術，把快速成形技術從製造「原型」發展到直接製造具有極高力學性能的緻密金屬零件。為什麼是西北工業大學

三維列印是當今風靡世界的前沿新技術，一般人會以為這是電子或控制領域的科研人員所從事的研究領域。然而，中國當前三維列印工作最出色的單位之一，卻是發端於原來搞鑄造的西北工業大學凝固技術國家重點實驗室。鑄造領域的研究人員，為什麼會成為三維列印領域的專家？三維列印怎麼會與鑄造關聯起來？這一切為什麼會發生在西北工業大學？記者在求教於黃衛東教授後得知：

原來，公眾俗稱的三維列印包含了很多種專家們稱謂的「快速成形」「實體自由成形」或「增材製造」技術。這些技術有一個共同的材料成形原理，就是基於數字化信息和控制逐漸添加材料以形成所需要的零件或產品。「快速」和「自由」是指這種技術改變了通常材料成形複雜形狀零件時對模具的依賴。「增材」則是這種技術是通過逐漸添加材料的方式來形成實體產品，一改以往所有的機械加工都是通過逐漸去除材料來成形實體產品的「減材製造」思路。由於添加材料的方式可以是無限豐富的，從而可以有無數種技術細節不同的三維列印技術。

西北工業大學所發展的「激光立體成形」三維列印技術，除了共同的「增材成形」原理之外，採用的是「同步送粉激光熔覆」的方式來堆積金屬材料。具體說，就是採用一束高功率激光在一塊金屬基材上燒出一個微小的液態熔池，通常在1毫米到數毫米之間。然後，用一個帶聚焦噴嘴的送粉器把金屬粉末送到熔池中去。金屬粉末在高溫的液態熔池中迅速熔化，而當激光束移開之後，這些熔化的粉末又迅速重新凝固成為固體，但這時它們已經同基體材料牢固地結合在一起了。因為送粉、熔化、凝固過程是連續進行的，可以根據需要堆積出幾乎任何形狀的產品來。其技術的核心是金屬材料在數字化控制之下的連續熔化和凝固過程。同鑄造的關聯，正在於這個「熔化」和「凝固」過程。

在「激光立體成形」技術誕生之前，所有的三維列印技術製造的產品，在其堅固程度上都遠不能同鑄件和鍛件產品比肩。而「激光立體成形」技術製造的產品，在力學性能上卻遠優於鑄件，而達到了鍛件的水平。因而，「激光立體成形」是三維列印技術中，能夠獲得極高力學性能產品的一種特色鮮明的技術。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室可以實現預期的極高力學性能金屬零件的「激光立體成形」，其秘訣恰恰在於他們是搞鑄造出身的，對金屬的熔化和凝固過程的科學認識和技術控制能力，遠比從事其他專業涉足三維列印技術的專家在行。事情往往就是這樣奇妙，原以為難以關聯而令人困惑的事情，卻恰恰有著最自然的內在關聯。沒有充分的材料科學基礎的研究人員，往往把激光成形工藝的研究作為一個純粹的試驗探索，試圖通過大量盲目的試驗去尋找工藝規律。但對於激光成形這樣涉及到太多影響因素的過程，盲目試驗的成功機會很少。黃衛東的技術團隊利用在凝固理論和材料科學方面深厚的理論功底，對各種重要合金體系激光成形過程的熔化、凝固和後續熱處理的固態相變過程進行了系統深入的科學研究，奠定了激光成形過程的材料科學基礎，成為世界上激光成形領域發表材料組織形成規律科學論文最多的團隊。

他們能夠在三維列印這樣一個前沿技術領域大展身手，其秘訣還在於他們能向工業界提供包括材料、工藝和裝備的完整的技術體系。記者注意到，同樣來自凝固技術國家重點實驗室的張立同院士以在陶瓷材料領域的傑出成就而獲得2004年國家技術發明一等獎，其成果最鮮明的特點是，成果向工業界提供的是包括材料、工藝和裝備的完整的技術體系。產學研一體化就是這個實驗室最具特色的技術創新傳統。

一個國家重點實驗室走出了三位兩院院士，也為實驗室奠定了求新務實的學術傳統，培養了一大批十分優秀的後繼人才。黃衛東的導師周堯和院士是一位傑出的教育家，他培養的學生中，有九位是長江學者或國家傑出青年科學基金獲得者，一位已經成為中國科學院院士。周院士把自己培養學生的經驗總結為「從嚴、重導、求新」。師承了導師傳統的黃衛東，在創新性思維和能力訓練方面有獨到的見解，他堅持要求研究生都要自己設計製作實驗裝置，讓學生們在非常辛苦的設計製做實驗裝置中，具備較強的動手能力，特別是研製裝備的能力。

基礎科學研究很多時候可以是少數人甚至單個人的活動，但應用性研究，特別是工程化研究則必須是團隊協同才可能有所作為。在多年的研究中，黃衛東言傳身教，將對先進技術的不舍追求、鍥而不捨的鑽研精神、永不停息的技術創新意識、團結和諧的團隊精神和對用戶高度負責的誠信意識灌輸到團隊每一個人。

激光熔覆製備大面積塗層，工藝非常不容易控制，非常容易裂，而用多層熔覆的方式來成形大體積的實體零件就更容易開裂。用了整整兩年時間的艱苦研究，才從理論到工藝上搞清了影響激光熔覆層開裂的主要材料因素和工藝因素，確定了可進行激光立體成形的材料和工藝路線，解決了當時一些易裂合金，如硬質合金、高溫合金的大體積熔覆沉積問題。同時，解決了精確送粉，變形控制組織、性能調控等關鍵技術，成形出形狀精緻、高性能的零件。

正是有了這碗墊底的技術「酒」，2001年在爭取一個重大科研項目的時候，前一個申請項目被專家們質疑了一個小時，主要是質疑激光成形技術上的可行性。輪到黃老師答辯的時候，專家們只問了5分鐘就通過了項目。原因是黃老師帶去了一個形狀精美的激光成形樣品，用實物將專家們的所有擔心都消融了。一次，黃衛東團隊帶到一個項目成果彙報會給專家們傳看的樣品在會後不見了蹤影，製作這個樣品的學生心裡非常難過。黃老師安慰他說，有人願意收藏，說明對你的工作高度肯定，你應該高興才是啊！直到很多年後，黃老師在一位重要領導的辦公桌上看到了這個樣品，這位領導說，他很喜歡這件樣品，已經在辦公桌上擺了很多年了。這位領導當時並不在現場，不知是哪一位十分欣賞這件樣品的專家把它獻給了這位領導。

黃衛東告訴記者，重點實驗室這些年能取得豐碩成果，還有一方面重要原因，這就是實驗室的幾位院士長期的關懷、支持、鼓勵和時常提出的指導性意見，以及西北工業大學從校領導到各個部門的支持幫助。

他說，張立同院士就特別看好和支持自己的學生在激光成形方面所做的開創性研究工作，並以自己成立工程技術中心和產業化公司的理念和實踐經驗，多次給以指導和啟發。校外的很多的專家、院士和國家有關部門的領導和工作人員都對西工大激光成形研究工作給予了無私的支持幫助。

一項技術在工程化研究和產業化轉化階段，往往涉及到很多政策性問題和多部門的協調，僅靠重點實驗室的力量就顯得過於單薄了。2011年，西工大正在進行人事制度的大調整，暫時凍結了人事指標。可實驗室的發展急需相關人才，為了解決攻關團隊的技術骨幹問題，學校特批留下了楊海歐博士和譚華博士，為實驗室特批留下了所需人才，令其他亟待進人而不能如願以償的科研團隊羨慕不已；實驗室需要科研、實驗場地，學校大方地拿出2500平方米的庫房，並安排翁志黔副校長具體負責指揮協調相關工作。在激光成形工程技術中心的運行機制和工作場地的建設中，涉及到很多事先想不到的複雜問題，翁校長以極大的熱情、非凡的魄力、機巧的智慧和她廣泛的影響力解決了很多難題，保證了工程技術中心的及其工作場地的按時建成，對西工大激光成形事業的發展做出了不可替代的貢獻。邁向世界領先的步伐

黃衛東教授（左1）向中國商用飛機有限責任公司董事長金壯龍(中)和西北工業大學校領導彙報C919飛機中央翼肋上緣條毛坯的製造情況。

2012年6月，對於西北工業大學凝固技術國家重點實驗室來說是一段忙碌的日子。3日，中國商用飛機有限責任公司董事長、黨委書記金壯龍一行到訪，考察為我國大型商用飛機大型鈦合金結構件製造而專門建立的激光製造工程中心。金壯龍撫摸著高達3米的激光立體成形C919飛機中央翼緣條，激動地說：「感謝西工大對大飛機事業的支持。」第二天，工業與信息化部蘇波副部長視察調研，他興緻勃勃地登上激光製造工程中心6米高的激光立體成形裝備，一邊仔細觀察大飛機鈦合金零件的激光立體成形過程，一邊向黃衛東教授詳細詢問激光立體成形的工作原理和技術特點，連聲說：「開眼界了。」考察結束後，蘇波對陪同參觀的西工大校領導說：「我還要特別轉達中國商飛對西工大的感謝——感謝西工大對大飛機事業的支持。」同天，參加西北工業大學凝固技術國家重點實驗室學術委員會的專家學者們來到激光製造工程中心考察。實驗室學術委員會主任、中國工程院副院長干勇院士感慨地說：「太了不起了！西工大太了不起了！激光成形技術達到如此高的水平，在世界上也是首屈一指的。激光成形技術在民機上的應用，將是中國製造領先於世界的標誌性成果！」

採用激光立體成形技術來解決飛機大型鈦合金結構件製造技術難題，是C919飛機總設計師吳光輝的強烈願望。鈦合金應用量是現代飛機先進性的一個代表性指標，然而，我國在大型鈦合金結構件的製造技術能力上同歐美相比還有很大的差距，在滿足C919飛機需求方面還存在嚴重的技術困難。在這個關鍵時刻，吳總注意到西工大在大型鈦合金結構件的激光立體成形技術方面所取得的成就，寄希望於採用這項先進的新技術來解決大飛機製造中面臨的困難，同時形成中國大飛機製造具有自主知識產權的特色新技術。吳總找到西工大姜澄宇校長，表達了中國商飛希望西工大給予技術支持的願望，得到姜校長的積極響應。

受吳總的委託，商飛公司C919飛機負責結構強度的副總設計師周良道一行於2011年1月22日專程到西工大調研考察激光立體成形技術的情況，並商談為C919飛機製造大型鈦合金結構件的合作。現場考察後，周良道說：「我們找對人了，商飛願意同西工大通力合作，應用激光成形技術解決C919飛機鈦合金結構件的製造問題。」

原來，商飛此前曾經同一些單位在激光成形技術方面有過合作交流，但是不能令人滿意，特別是一些技術上的疑問一直未能澄清。對於一種新技術，用戶方從謹慎的態度出發，必然會有很多疑問，不澄清所有的疑問，新技術是難以得到應用的。特別是大型商用飛機，應用上的絕對安全性要求技術上的高度可靠性，容不得技術上有任何含糊。心中諸多疑問完全釋然的周良道，下決心同西工大合作，採用激光成形技術製造C919大飛機大型鈦合金結構件。3月15日，雙方成立聯合工作團隊，開展C919飛機大型鈦合金結構件激光立體成形製造的技術攻關，並按C919飛機的研製節點確定了詳細的工作計劃，正式進入項目實施。

於是，學校迅速啟動了有效的工程化研究和產業化轉化的機制，提供了一塊2500平方米的場地建立了西工大激光製造工程技術中心，以技術入股，引入民間資本建立了鉑力特激光技術有限公司，為工程化研究的效率和質量提供了機制上的保證。過去，凝固技術國家重點實驗室的激光成形設備可成形的最大零件是1.2米，而中國商飛要求製造的最大鈦合金結構件接近3米，設備的尺寸和激光器功率都必須大大擴展。凝固技術國家重點實驗室激光成形研發團隊，以只爭朝夕的精神，在一片廢墟似的場地建設現代化的工程研究中心，同步進行新的大型設備的安裝調試，只用了3個月的時間。

凝固技術國家重點實驗室自1995年以來的潛心研究，已奠定了堅實的科學理論基礎，用大量發明專利和詳實的實驗數據證實了其技術上的可用性，用已經達到世界先進水平和中國唯一商用化的裝備技術保證了其實施的可行性，用在航空、航天、機械、醫學等領域的大量應用案例激發了科技界和工業界的強烈興趣。然而，相對大飛機的應用需求，這些都還只是促使中國商飛下決心應用激光立體成形技術的「基礎」。要在大飛機上真正應用一項新技術，還要跨過很多關口。無論過去有多少數據和案例支持，都不構成一項新技術在飛機製造上應用的直接依據。

中國商飛的第一個考試，是「五項性能測試」。這是採用飛機將來實際應用的真實材料，在非常接近服役狀態條件下的材料和結構的進行一些代表性的力學性能測試。「考試」的結果令中國商飛非常滿意，周良道副總設計師的評價是「略好於鍛件」。這是一個令黃衛東團隊激動不已的高度評價。黃衛東過去一直謹慎地評價激光立體成形金屬件的性能是「相當於鍛件」。須知鍛件一般代表了金屬結構件的最高力學性能，但是其他一些單位的「五項性能」，在十分關鍵的疲勞強度上的數據分散性明顯大於鍛件，這曾經是中國商飛對應用激光立體成形技術有所擔心的問題。現在，實驗室樣品優異的性能數據完全打消了中國商飛對激光成形件性能可靠性曾經的擔心。

中國商飛還有第二件擔心的事情。在時間極度緊張的情況下，西工大能按C919飛機研製的節點按時成形出滿足質量要求的大型鈦合金結構件嗎？零件的變形問題是否能夠可靠解決？因為中國商飛要求生產的激光成形鈦合金結構件，都是大型薄壁零件，而激光成形過程零件不可避免地要經歷極高的溫度梯度，這是導致成形件變形的最難以控制的因素。在這樣一個考驗面前，實驗室交出了一份令中國商飛十分滿意的答卷。2012年除夕早晨，經過數月24小時三班倒夜以繼日的設備調試和工藝攻關，第一個近3米高的C919飛機中央翼緣條非常漂亮地成形出來。消息傳到中國商飛，吳光輝總設計師給西工大翁志黔副校長打電話表示衷心的祝賀。在黃衛東團隊年三十的中午的團年飯局上，已經85歲高齡的金屬加工界泰斗周堯和院士也特別趕來參加這頓特殊的團年飯，以此向攻關團隊表示衷心的祝賀。後來，這個成品在放置了一個月之後，最大變形量小於0.8毫米，表明成形精度和變形控制都達到了極高的技術水平。

經歷過這樣兩次近於滿分的「考試」之後，中國商飛徹底放心了，在C919飛機製造中應用激光立體成形新技術，也就沒有了技術上的障礙。2012年5月20日，吳光輝總設計師專程來到西工大激光製造工程中心，對實驗室在這次技術攻關中建立起來的工程化研究和產業化轉化機制給予高度的肯定，對於激光成形在提高中國大飛機製造的材料國產化率方面的貢獻寄予深切的期望。

1995年，黃衛東在科研中產生了關於快速成形技術的一個新構思：把快速原型製造的增材成形原理和同步送粉激光熔覆相結合，形成一種快速成形高性能緻密金屬零件的新技術，用於直接製造可以承載高強度的力學載荷的金屬結構件。黃衛東注意到，當時「快速成形」=「快速原型製造」，但兩者的內涵其實並不相同。增材製造作為一種快速成形原理，沒有理由說它只能用於原型製造，而不能製造可以直接承載高強度力學載荷的金屬結構件。

但當黃衛東同快速成形領域的專家們交流構思時，專家們卻是一致地表示懷疑，不相信快速成形技術可以製造像鑄件和鍛件那樣高力學性能的緻密金屬零件！黃衛東根據自己的專業知識，堅信採用同步送粉激光熔覆技術完全可以做出力學性能非常高的金屬零件。於是，他安排博士研究生李延民開始進行激光立體成形的技術基礎——多層激光熔覆的探索性研究。初步結果令人鼓舞，在金相顯微鏡下竟然難以分辨多層激光熔覆形成的金屬塊的分層結構，說明材料結合得非常好，確實形成了一個緻密的整體。

1997年，航空科學基金首次設立重點項目，黃衛東教授題為「金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學性能研究」的項目申請通過函評，在會審會上，黃衛東的激光立體成形新設想，在評審組長，中國著名激光焊接專家左鐵釧教授的力挺下得以通過。同年，激光定向凝固研究項目獲得國家自然科學基金的資助。這是中國在激光立體成形領域最早的正式立項的科研項目。李延民以激光立體成形作為研究內容的博士論文讓他在2001年獲得博士學位，成為中國第一位專門研究激光立體成形技術的博士。畢業後即被美國GE公司中國研究中心招募，為該中心創建了激光立體成形技術研究部門。

2000年以後，863計劃、973計劃、國家自然科學基金重點項目等也開始對激光立體成形立項支持。2001年，黃衛東團隊關於「高性能複雜金屬零件的激光快速成形技術」的研究項目申請獲得國家863計劃的支持。

863項目的研究成果，很快就在我國新型航空發動機的研製中做出重要貢獻。到該發動機裝機試車的時間節點時，採用鑄造技術研製的一個關鍵零件始終未能合格，使得發動機無法按時裝機試車。利用863項目研究所獲得的技術成果，黃衛東團隊採用激光立體成形技術研製的零件保證了發動機的裝機試車。

2001年，黃衛東教授團隊申請了中國第一批關於激光立體成形的源頭創新專利。至今已獲授權激光立體成形的材料、工藝和裝備相關的國家發明和實用新型專利12項。

2002年和2006年，西工大與中國人民解放軍第四軍醫大學口腔醫院合作，先後獲得863計劃的連續支持，開展口腔金屬修復體和梯度生物活性材料的激光立體成形研究，其中激光立體成形的口腔鈦基金屬修復體已通過臨床試用，激光成形製備的鈦/生物陶瓷梯度複合材料也通過了動物植入測試。激光立體成形技術在醫學領域的應用，是黃衛東和他的團隊所看好的下一個研究重點。實際上，這項工作早在1995年就起步了。那年四醫大口腔醫院的王忠義教授帶領他的幾個博士研究生到實驗室探討口腔醫學與材料加工領域的合作機會。黃衛東提出的激光立體成形的技術構思引起了王忠義教授的高度興趣。當他的一位博士生高勃完成博士學位論文之後，王忠義就建議他到西北工業大學作博士後研究工作，由此啟動了長達十幾年至今的口腔植入體激光成形研究工作。高勃博士如今已是四醫大的教授、博士生導師，口腔植入體的激光成形研究成了他的主要科研方向。

航空航天和大型機械裝備關鍵零件的高性能修復，是激光立體成形技術的又一個重要應用領域。2003年，黃衛東教授到成都飛機公司去進行有關激光立體成形的學術交流。成飛科技部的部長說，我們更關心高端零件的修復。在飛機零件的加工過程中，不可避免常常因為各種原因形成的零件缺陷而導致報廢，由於飛機關鍵零件對性能可靠性的要求極高，因此一般不允許修復使用。一些大型零件的價格往往上百萬元或數百萬元，其報廢導致的經濟損失極為高昂。更為要緊的是，有的關鍵零件的加工周期很長，重新製造將需要很長的時間，往往引起飛機研製進度拖延。因此，如果有高性能修復技術能使這些零件起死回生，將是極有價值的。成飛迅即立項，委託實驗室研究飛機大型關鍵零件的激光修復。由於激光修復技術的價值已得到證實，成都飛機公司、西安航空發動機公司和某飛機修理廠都已購買了西工大為他們的重要產品專門研製的激光修復設備。其中有的設備可以修複數米大的飛機零件。

裝備技術是激光成形團隊一個極為重要的研究內容。先進的技術離不開裝備的支持，技術的成熟性最終要以工藝和裝備的完整性和成套性來體現。黃衛東團隊從研究伊始就非常注重激光立體成形設備的研發。從最初只是研製實驗室必不可少的裝備，到提供工業企業商用。2007年，研製出國內首套商用LSF-Ⅲ型激光立體成形製造裝備，迄今已為中國航天科工集團、西安航空發動機公司、成都飛機製造公司等5家國內外企業提供商用激光立體成形與修復再製造裝備。目前國際上能夠提供產業使用的激光立體成形裝備的代表性公司有美國的Optomec公司，POM公司，德國的Trumpf公司，國內僅西北工業大學提供了商用裝備。一家國際著名激光加工裝備製造公司的銷售人員說：「看來我們只能放棄與你們競爭，轉為合作。」中國商飛與實驗室的合作，就是緣於吳光輝總設計師在航天科工集團看到實驗室研製的激光成形裝備。

裝備研究是凝固技術國家重點實驗室最重要的研究傳統之一，凝固技術國家重點實驗室目前80%以上居於國際前沿的先進裝備都是實驗室人員獨立研發出來的。不過，激光立體成形裝備畢竟與傳統的凝固裝備不同，特別是涉及到了激光器的精確控制、零件的三維造型和剖分、環境氣氛的精確控制、以及材料送進方式等，都對裝備在系統設計和製造方面提出了非常高的要求。為了解決這些問題，團隊成員分工協作，一遍遍地查資料，一遍遍地做測試，一遍遍地檢查，一點點地琢磨，常常為了一個問題的解決通宵達旦地工作，最終硬是憑著不懈的努力，把一個個難題啃了下來。就拿材料送進系統來說，初看似乎是一個簡單的東西，把粉末送出來就行。但是對於激光立體成形來說，一方面要求必須具有充足的送粉量，這要求送粉管不能太細，另一方面還要求送出的粉末流直徑要和激光束斑的直徑相當，並準確投射到激光形成的小熔池中，以保證沉積效率和成形幾何和表面精度。開始的時候採用的是熱噴塗的送粉噴嘴，送粉量是足夠了，但是送出的粉末流直徑達到了近10毫米，而早期中等功率可用的激光束斑直徑通常也就是2—3毫米，也就是說，在成形過程中粉末被大量散失掉了。這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，搞得零件表面坑坑窪窪。直到有一天，團隊里一個原來搞航空發動機氣動設計的人員在做實驗時發現了這個問題，指出送粉噴嘴必須要做氣動設計，才可能控制粉末束的流態。為此，大家啃起了氣動原理資料，學習從發動機氣動原理到高速風洞的流道設計的相關知識，找到了噴嘴設計的氣動原理。經過了一次次的失敗，終於將粉末流直徑從近10毫米減小到了近1毫米，大大提高了送進系統的粉末匯聚性和流量穩定精度，使得採用該送粉噴嘴製備零件的成形精度和表面光潔度達到了國際先進水平。像這樣刻苦攻關解決的問題還包括過程監測和反饋控制系統、氣氛控制系統、成形CAPP/CAM及集成控制軟體等。所研製的裝備能夠實現各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋯合金和鋁合金的複雜結構零件的無模具、快速、近凈成形以及修復再製造。

到2007年，黃衛東與團隊骨幹合作撰寫並出版了本領域中國首部專著《激光立體成形》，這也是國際上第二部涉及激光立體成形的專著；2008年，高性能緻密金屬零件激光立體成形理論、技術與裝備獲得陝西省科學技術一等獎。

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