能在头发丝上刻字母 这家中企铣刀创世界纪录(上)
新闻来源: 中国企业家 于2022-09-15 8:20:56 大字阅读 提示:新闻观点不代表本人立场
它被誉为“最精致的工业牙齿”。
文｜《中国企业家》记者 李艳艳
编辑｜周春林
头图来源｜受访者
【编者按】
高精度铣刀是精密加工领域不可或缺的工具。由于基础材料和加工技术的限制，我国在该领域长期处于受制于人的局面。
面对迫切的需求，出于职业的渴望和增强核心竞争力的内在驱动，中国五矿所属中钨高新金洲公司的技术团队，踏上了卓绝的自主创新之路。在克服了重重困难之后，他们终于创造了世界最细铣刀的纪录，突破了制造领域关键技术的“卡脖子”难题。
创新不是为了炫技，切实为客户服务、占领市场份额才能确保企业立于不败之地。在力争尽快进入世界一流阵营的同时，他们把未来锚定在了高附加值产品。
精密刀具的加工极限能做到哪里？
全世界最细的铣刀，直径只有0.01毫米，能在米粒上刻出56个汉字，在一根头发丝上铣出7个字母，这一产品诞生于中国五矿所属中钨高新金洲公司，被誉为“最精致的工业牙齿”。如此极致的精细度，不仅代表了公司的创新研发能力，更突破了制造领域关键技术的“卡脖子”难题。
铣刀，是具有一个或多个刀齿的旋转刀具，主要用于铝合金、不锈钢、模具钢、树脂、玻纤等各类工业材料加工，其精度是制造加工业的重要参考指标。尤其是，高精度的铣刀是精密加工不可或缺的工具，一旦断供，多条产业链都会面临停摆。
2021年10月，我国首次实现直径0.01毫米极小径铣刀的上机加工实验。据了解，在研制过程中，金洲公司突破传统工艺设计，开创新型微小刀具磨削工艺，有针对性地解决了结构难设计、制作状态难监控、磨削力难控制、刃径小易折断等一系列难题。
聚焦于精密微型刀具研制的金洲公司是国内著名的“隐形冠军”，目前拥有330多项发明和实用新型专利。在一个竞争激烈、产品更新换代极快的市场里，金洲公司主产品PCB微钻不断实现进口替代，市占率全球第一。2018~2021年，公司净利率水平由15%增长至19%，亦位于同行前列。
“每三部手机里，就有一部使用我们金洲公司的产品加工。”中钨高新董事长李仲泽近日接受《中国企业家》专访时说。近些年，因为市场变化太快，很多欧洲和日本企业退出了。在他看来，市场起伏很正常，关键是保持进步。“我们不把价格竞争作为手段，要确保成本领先。”
2016年，经历过重整的中钨高新，以技术创新为引领，制定了一系列新发展战略。据了解，中钨高新每年的新产品贡献率超过30%，技术研发投入亦超过公司总营收的5%，“金洲投入更大”。此外，公司每年给到科技人员创新成果的奖励超过2000万元。
一个高精密加工的时代已经到来，精密刀具可以成为破壁者。一把小小的铣刀，可以改变器具，提升产品性能，推动行业发展，直至影响产业链，催生全面的高精度加工需求。“说到底，真正的竞争要靠领先的技术，技术创新能力就是我们的核心竞争力。”李仲泽说。
中钨高新董事长李仲泽。摄影：史小兵
破壁：实现“米粒上刻字”
眼瞅着第一支目标刀具即将磨削成型，厉学广难抑兴奋地跑回办公室，呼喊同事们来围观。当晚，团队一起吃饭庆祝。100多天，“煎熬、紧张、疲累感终于烟消云散，仿佛来到了美丽新世界”，他形容说，自己有一种“发现了新大陆和攀登珠峰成功的双重喜悦，有能够改变未来的畅想”。
现年42岁的厉学广，是0.01毫米极小径铣刀项目研发负责人。最初的研发契机源自客户的抱怨。2020年末，曾有客户跟厉学广说有些刀具买不到，“你们金洲既然做微型刀具，能不能做这个？”而在他印象中，当时市场上的铣刀，直径较小的是0.1毫米。
2021年初，与客户几经研讨后，厉学广意识到高端精密刀具“卡脖子”问题的严重性。经过多年发展，精密加工的级别已经不同往日，随着通信等现代技术对小体积、低功耗、多功能、高效率等要求的提出，市场对精密加工需求已不仅仅局限在1毫米、0.1毫米，0.01毫米、0.02毫米也有真实需求，10微米级别的精密加工年代已经到来。此外，这个工具涉及重点行业，所以极小径精密刀具的供给变为关键点。在此大环境下，金洲的精密刀具不能停在概念阶段，技术不能只用来储备，而要转化为产品，切切实实应用在这些关键领域，发挥作用。
0.01mm铣刀米粒铣字。来源：受访者
还有一个原因是，虽然日本也有同类产品，但要么因为人家不愿意卖，要么因为交期长、价格非常高，而且几乎没有技术服务，只能望而却步。“求着人家卖刀具这件事，真的很痛苦。他们既然找到我们，我觉得，这件事我们一定要做，这是刀具人的担当。”厉学广说。
构思初步方案时，他先在脑海里过了三五天，找到核心点，作图、模拟、验证。后来做梦时，还得到了新想法。“那些最微小的技术改变，也能改变很大的事，这是一种职业的渴望。醒来我觉得，这件事，必须要干。”如今回顾起来，他将之前的决心归为热血赤诚。
同事口中的厉学广有个称呼：阿广。阿广从小就想当科学家。2004年，本科机械专业的他通过校招，从辽宁奔赴深圳，加入金洲公司。2013年，基于工作需求，厉学广又去读了光学专业工程硕士。研发突破的想法让他感到兴奋，直到后来，他发现，困难着实不少。
2021年5月，厉学广着手研发0.01~0.04毫米极小径铣刀。首要困难就是没有设备去加工如此精密的刀具。如何找到加工设备？他的答案是“改”。“我们原先有些进口高精度设备，可以适当做些改造，优势发挥，劣势克服，比如，精度再提高，磨削力再降低。轴的磨削运动也要调整，通过改造，消除掉一些波动。”
除了硬件，决心和信念也是一大考验。“你怎么让大家有信心跟你干下去？”厉学广有自己的方法。首先是消除大家的顾虑。他对团队说：“做项目是用科学的理论指导实践，在没有谁能论证这项技术和产品无法成功之前，我们就要坚定地走下去。能发现不可逾越的难题或者理论错误，反而是幸运的事，这正是我们要集中攻克的难点。”
其次是引导团队去憧憬未来。“如果造出比头发细多倍的铣刀，打破目前铣削刀具的极限，真能铣削出0.01、0.02毫米宽的槽，让生物医疗芯片、通讯关键零部件实现前所未有的性能，改变行业现状，解决供应链受制于人的问题，让精密制造腾飞，你们是否愿意为之努力？这是你们肩上使命的重量。”
做好思想准备后，接下来的0.01毫米极小径铣刀技术攻关则是个反复实验的过程。厉学广说，技术难点首先体现在“特别容易折断”。
相对于直径0.1毫米的头发丝，0.01毫米铣刀的直径是其1/10，截面积是其1/100，强度降低到直径0.1毫米刀具的1/1000，吹振可断。厉学广认为，铣刀做到这个层级，一定要应用才有它的价值。“它太细了，但这不代表它没法用，只要给它稳定精度的加工和使用条件。”
0.01毫米极小径铣刀结构复杂，亦是最难设计和磨削的工具。要实现周刃、端齿都能切削的完整铣刀功能，就要让刀体具备齐全的结构。而磨削时，刀体亦无法托附，只能悬空。另一方面，磨削时砂轮线速度与汽车速度相当，冲击力大，易折断。
作为目前精度要求最高的刀具，0.01毫米铣刀让很多技术研发人员不敢接招。当直径降为普通刀具的1/10、1/100，精度也要求相应降为1/10、1/100，以至于0.01毫米铣刀典型结构的精度要求在±0.0005毫米级别，难度极高。“我们的要求不仅是做出来，还要做到位。”
厉学广笃定，做应用工程不同于做科研，结果一定藏在大量的实验中，所以要有耐心。仅在结构方面，团队就来回尝试了两个多月，反复实验接近200次。2021年9月，初代样品实现产出。2021年10月，初代0.01毫米铣刀上机加工头发、米粒成功。
0.01mm铣刀头发丝铣字。来源：受访者
2019年底，金洲公司成功研制出直径0.01毫米的超细微型钻头，打破了长期以来我国在该领域受制于人的局面。仅用一年半的时间，金洲公司又实现了直径0.01毫米超细微型钻头和直径0.01毫米极小径铣刀的钻铣“双剑合璧”。
“这个成果肯定不是一蹴而就，而是前面十年的持续研究积累。”厉学广说，很多事情，第一阶段，往往比较顺利；第二阶段，稍微有点困难，但努力克服了，以为摸到底，信心十足；第三阶段，遇到困难解决不了，困顿无法突破；第四阶段，军心动摇，很多挑战项目和创业公司基本死在了这个阶段。“所以理性复盘问题在哪儿，不要迷信、不要消极非常重要。通常韧性强、科学、客观、理性的团队能活下来，做得更好，能力更强，涅槃重生。”
落地：以快“市占第一”
多年前的一段经历，让中钨高新金洲公司总经理罗春峰至今印象深刻。那是在2016年前后的多次行业展会上，他被一家日本竞争对手的高管问询，“为什么同一家客户，从捕捉客户需求到研发再到现场测试，相同时间内，你们能够做到比我们多测试两到三次？”
“我们的策略就是：以快打快。”罗春峰对《中国企业家》总结道。“金洲的市占率第一，不仅（局限）在中国内地，全球只要有PCB制造的地方，就在用金洲的产品。”
这是一个产品更新极快的领域。尽管受新冠疫情影响，全球经济承压，但疫情催生线上活动，提升了对电子产品的需求。同时 5G 基建推进，使得全球PCB产品需求呈现较为强劲的增长。未来 5G、汽车电子、工业 4.0、云端服务器等，将成为驱动PCB需求增长的新方向。
在罗春峰的切身感受中，竞争已愈发激烈，作为龙头的金洲公司，团队的危机感始终相随。
“我们时刻提醒自己，对产品的开发更新速度能不能更快。而行业也反推我们，对产品的开发一定要贴近市场需求。”他说。金洲现有330多项专利，其中发明过百项。在研发投入上，“前年是营收占比的5%、去年6%，今年的目标是7%”。
0.02mm铣刀加工不锈钢。来源：受访者
新闻来源: 中国企业家 于2022-09-15 8:20:56 大字阅读 提示:新闻观点不代表本人立场
它被誉为“最精致的工业牙齿”。
文｜《中国企业家》记者 李艳艳
编辑｜周春林
头图来源｜受访者
【编者按】
高精度铣刀是精密加工领域不可或缺的工具。由于基础材料和加工技术的限制，我国在该领域长期处于受制于人的局面。
面对迫切的需求，出于职业的渴望和增强核心竞争力的内在驱动，中国五矿所属中钨高新金洲公司的技术团队，踏上了卓绝的自主创新之路。在克服了重重困难之后，他们终于创造了世界最细铣刀的纪录，突破了制造领域关键技术的“卡脖子”难题。
创新不是为了炫技，切实为客户服务、占领市场份额才能确保企业立于不败之地。在力争尽快进入世界一流阵营的同时，他们把未来锚定在了高附加值产品。
精密刀具的加工极限能做到哪里？
全世界最细的铣刀，直径只有0.01毫米，能在米粒上刻出56个汉字，在一根头发丝上铣出7个字母，这一产品诞生于中国五矿所属中钨高新金洲公司，被誉为“最精致的工业牙齿”。如此极致的精细度，不仅代表了公司的创新研发能力，更突破了制造领域关键技术的“卡脖子”难题。
铣刀，是具有一个或多个刀齿的旋转刀具，主要用于铝合金、不锈钢、模具钢、树脂、玻纤等各类工业材料加工，其精度是制造加工业的重要参考指标。尤其是，高精度的铣刀是精密加工不可或缺的工具，一旦断供，多条产业链都会面临停摆。
2021年10月，我国首次实现直径0.01毫米极小径铣刀的上机加工实验。据了解，在研制过程中，金洲公司突破传统工艺设计，开创新型微小刀具磨削工艺，有针对性地解决了结构难设计、制作状态难监控、磨削力难控制、刃径小易折断等一系列难题。
聚焦于精密微型刀具研制的金洲公司是国内著名的“隐形冠军”，目前拥有330多项发明和实用新型专利。在一个竞争激烈、产品更新换代极快的市场里，金洲公司主产品PCB微钻不断实现进口替代，市占率全球第一。2018~2021年，公司净利率水平由15%增长至19%，亦位于同行前列。
“每三部手机里，就有一部使用我们金洲公司的产品加工。”中钨高新董事长李仲泽近日接受《中国企业家》专访时说。近些年，因为市场变化太快，很多欧洲和日本企业退出了。在他看来，市场起伏很正常，关键是保持进步。“我们不把价格竞争作为手段，要确保成本领先。”
2016年，经历过重整的中钨高新，以技术创新为引领，制定了一系列新发展战略。据了解，中钨高新每年的新产品贡献率超过30%，技术研发投入亦超过公司总营收的5%，“金洲投入更大”。此外，公司每年给到科技人员创新成果的奖励超过2000万元。
一个高精密加工的时代已经到来，精密刀具可以成为破壁者。一把小小的铣刀，可以改变器具，提升产品性能，推动行业发展，直至影响产业链，催生全面的高精度加工需求。“说到底，真正的竞争要靠领先的技术，技术创新能力就是我们的核心竞争力。”李仲泽说。
中钨高新董事长李仲泽。摄影：史小兵
破壁：实现“米粒上刻字”
眼瞅着第一支目标刀具即将磨削成型，厉学广难抑兴奋地跑回办公室，呼喊同事们来围观。当晚，团队一起吃饭庆祝。100多天，“煎熬、紧张、疲累感终于烟消云散，仿佛来到了美丽新世界”，他形容说，自己有一种“发现了新大陆和攀登珠峰成功的双重喜悦，有能够改变未来的畅想”。
现年42岁的厉学广，是0.01毫米极小径铣刀项目研发负责人。最初的研发契机源自客户的抱怨。2020年末，曾有客户跟厉学广说有些刀具买不到，“你们金洲既然做微型刀具，能不能做这个？”而在他印象中，当时市场上的铣刀，直径较小的是0.1毫米。
2021年初，与客户几经研讨后，厉学广意识到高端精密刀具“卡脖子”问题的严重性。经过多年发展，精密加工的级别已经不同往日，随着通信等现代技术对小体积、低功耗、多功能、高效率等要求的提出，市场对精密加工需求已不仅仅局限在1毫米、0.1毫米，0.01毫米、0.02毫米也有真实需求，10微米级别的精密加工年代已经到来。此外，这个工具涉及重点行业，所以极小径精密刀具的供给变为关键点。在此大环境下，金洲的精密刀具不能停在概念阶段，技术不能只用来储备，而要转化为产品，切切实实应用在这些关键领域，发挥作用。
0.01mm铣刀米粒铣字。来源：受访者
还有一个原因是，虽然日本也有同类产品，但要么因为人家不愿意卖，要么因为交期长、价格非常高，而且几乎没有技术服务，只能望而却步。“求着人家卖刀具这件事，真的很痛苦。他们既然找到我们，我觉得，这件事我们一定要做，这是刀具人的担当。”厉学广说。
构思初步方案时，他先在脑海里过了三五天，找到核心点，作图、模拟、验证。后来做梦时，还得到了新想法。“那些最微小的技术改变，也能改变很大的事，这是一种职业的渴望。醒来我觉得，这件事，必须要干。”如今回顾起来，他将之前的决心归为热血赤诚。
同事口中的厉学广有个称呼：阿广。阿广从小就想当科学家。2004年，本科机械专业的他通过校招，从辽宁奔赴深圳，加入金洲公司。2013年，基于工作需求，厉学广又去读了光学专业工程硕士。研发突破的想法让他感到兴奋，直到后来，他发现，困难着实不少。
2021年5月，厉学广着手研发0.01~0.04毫米极小径铣刀。首要困难就是没有设备去加工如此精密的刀具。如何找到加工设备？他的答案是“改”。“我们原先有些进口高精度设备，可以适当做些改造，优势发挥，劣势克服，比如，精度再提高，磨削力再降低。轴的磨削运动也要调整，通过改造，消除掉一些波动。”
除了硬件，决心和信念也是一大考验。“你怎么让大家有信心跟你干下去？”厉学广有自己的方法。首先是消除大家的顾虑。他对团队说：“做项目是用科学的理论指导实践，在没有谁能论证这项技术和产品无法成功之前，我们就要坚定地走下去。能发现不可逾越的难题或者理论错误，反而是幸运的事，这正是我们要集中攻克的难点。”
其次是引导团队去憧憬未来。“如果造出比头发细多倍的铣刀，打破目前铣削刀具的极限，真能铣削出0.01、0.02毫米宽的槽，让生物医疗芯片、通讯关键零部件实现前所未有的性能，改变行业现状，解决供应链受制于人的问题，让精密制造腾飞，你们是否愿意为之努力？这是你们肩上使命的重量。”
做好思想准备后，接下来的0.01毫米极小径铣刀技术攻关则是个反复实验的过程。厉学广说，技术难点首先体现在“特别容易折断”。
相对于直径0.1毫米的头发丝，0.01毫米铣刀的直径是其1/10，截面积是其1/100，强度降低到直径0.1毫米刀具的1/1000，吹振可断。厉学广认为，铣刀做到这个层级，一定要应用才有它的价值。“它太细了，但这不代表它没法用，只要给它稳定精度的加工和使用条件。”
0.01毫米极小径铣刀结构复杂，亦是最难设计和磨削的工具。要实现周刃、端齿都能切削的完整铣刀功能，就要让刀体具备齐全的结构。而磨削时，刀体亦无法托附，只能悬空。另一方面，磨削时砂轮线速度与汽车速度相当，冲击力大，易折断。
作为目前精度要求最高的刀具，0.01毫米铣刀让很多技术研发人员不敢接招。当直径降为普通刀具的1/10、1/100，精度也要求相应降为1/10、1/100，以至于0.01毫米铣刀典型结构的精度要求在±0.0005毫米级别，难度极高。“我们的要求不仅是做出来，还要做到位。”
厉学广笃定，做应用工程不同于做科研，结果一定藏在大量的实验中，所以要有耐心。仅在结构方面，团队就来回尝试了两个多月，反复实验接近200次。2021年9月，初代样品实现产出。2021年10月，初代0.01毫米铣刀上机加工头发、米粒成功。
0.01mm铣刀头发丝铣字。来源：受访者
2019年底，金洲公司成功研制出直径0.01毫米的超细微型钻头，打破了长期以来我国在该领域受制于人的局面。仅用一年半的时间，金洲公司又实现了直径0.01毫米超细微型钻头和直径0.01毫米极小径铣刀的钻铣“双剑合璧”。
“这个成果肯定不是一蹴而就，而是前面十年的持续研究积累。”厉学广说，很多事情，第一阶段，往往比较顺利；第二阶段，稍微有点困难，但努力克服了，以为摸到底，信心十足；第三阶段，遇到困难解决不了，困顿无法突破；第四阶段，军心动摇，很多挑战项目和创业公司基本死在了这个阶段。“所以理性复盘问题在哪儿，不要迷信、不要消极非常重要。通常韧性强、科学、客观、理性的团队能活下来，做得更好，能力更强，涅槃重生。”
落地：以快“市占第一”
多年前的一段经历，让中钨高新金洲公司总经理罗春峰至今印象深刻。那是在2016年前后的多次行业展会上，他被一家日本竞争对手的高管问询，“为什么同一家客户，从捕捉客户需求到研发再到现场测试，相同时间内，你们能够做到比我们多测试两到三次？”
“我们的策略就是：以快打快。”罗春峰对《中国企业家》总结道。“金洲的市占率第一，不仅（局限）在中国内地，全球只要有PCB制造的地方，就在用金洲的产品。”
这是一个产品更新极快的领域。尽管受新冠疫情影响，全球经济承压，但疫情催生线上活动，提升了对电子产品的需求。同时 5G 基建推进，使得全球PCB产品需求呈现较为强劲的增长。未来 5G、汽车电子、工业 4.0、云端服务器等，将成为驱动PCB需求增长的新方向。
在罗春峰的切身感受中，竞争已愈发激烈，作为龙头的金洲公司，团队的危机感始终相随。
“我们时刻提醒自己，对产品的开发更新速度能不能更快。而行业也反推我们，对产品的开发一定要贴近市场需求。”他说。金洲现有330多项专利，其中发明过百项。在研发投入上，“前年是营收占比的5%、去年6%，今年的目标是7%”。
0.02mm铣刀加工不锈钢。来源：受访者
【从太极图中获取内部结构设计灵感，超“听话”的超材料诞生了！】记者9月12日从国防科技大学获悉，该校的研究者们提出一种原创性的智能超材料设计方法，实现了金属基材料刚度和形状的大范围、连续、快速调节，具有重要的科学意义和工程应用价值。
相关研究作为8月封面文章https://t.cn/A6SEOJHF近日发表于《自然—材料》，并被《自然》评为今年6月全球重要科技进展（全球共4项）。
齿轮簇实现机械性能调节
近年来，智能材料广受关注，它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而，常规材料一旦制备，特性就几乎不能改变，部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性，但不具备工程实际可操作性。
“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料，为高性能装备设计提供了前沿技术支撑，但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制，需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”该校智能科学学院振动与噪声控制研究团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。
“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式，即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，这种模式下，当受到应力、热或电磁场的刺激时，超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构，从而改变刚度，同时会造成塑性变形且变化不连续，调节过程十分困难。”论文第一作者兼共同通讯作者、研究团队副研究员方鑫说。
为解决这个难题，研究团队提出了基于多功能动态基元和易变—牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。
通俗地说，该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料，它可以根据不同的“命令”，在齿轮旋转时，使坚固的材料变得更坚硬/更柔软或变形。
“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示，可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件实现。要实现机械性能可调但坚固的固体，需要确保在大作用力下的可调性和强耦合（可靠连接），同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现，这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”
方鑫透露，除了尝试以齿轮作为基元外，团队还尝试过很多其他构型，比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型，但都无法实现他们想要的这种调控特性。
为什么是齿轮簇？“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说，刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中，也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组，而单元做恰当排列就可形成超材料。
从太极图中获取内部结构设计灵感
既然齿轮是可被利用的元件，那它的内部结构该如何设计？
超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示，在众多设计方案中，团队从太极图中获取灵感，最终设计了形似太极图的齿轮，其形状以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。
“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单大气又有用的形状，脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象，四象生八卦’这句话，随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’，而我们想要的材料特性也是‘变’。”方鑫说，“引入太极理念后，我们设计的构型具有正极性和负极性，提供了一个很好的设计维度。”
在此基础上，该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架（前和后）将齿轮排列成简单的图案，外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下，臂部的变形以弯曲为主。
“任何两个啮合齿轮的自转方向都是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时，极性为正，反之则具有负极性。”方鑫说。
为了验证这一构想，团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5行6列的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235微米，最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。
“这种微型试件的等效模量Ey（θ）可以平滑地调整35倍（从8.3MPa到295MPa）。用金属材料制备的样品调节范围则可达到75倍。”方鑫说，这意味着即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。
旋转变速器行星齿轮即可“变身”
该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法，使其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性。”方鑫介绍，团队探索发现，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。
“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形，其内部的行星齿轮是齿环变形的支点，通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度，从而对超材料参数进行调节。”方鑫说，对于组装的超材料，所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上，这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此，只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。
“有趣的是，我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制，另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。
该团队提出了几个可展示齿轮基超材料广泛应用潜力的场景。“对于机器人，可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度则在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。
“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料，利用集成制造将这些可调特性连接起来，以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例，高分辨率和大规模的3D打印，使基于齿轮的超材料进一步小型化和延伸成为可能。” 方鑫说。
《自然》审稿编辑认为，这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径，比如通过使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。https://t.cn/A6SEOJHs
相关研究作为8月封面文章https://t.cn/A6SEOJHF近日发表于《自然—材料》，并被《自然》评为今年6月全球重要科技进展（全球共4项）。
齿轮簇实现机械性能调节
近年来，智能材料广受关注，它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而，常规材料一旦制备，特性就几乎不能改变，部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性，但不具备工程实际可操作性。
“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料，为高性能装备设计提供了前沿技术支撑，但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制，需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”该校智能科学学院振动与噪声控制研究团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。
“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式，即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，这种模式下，当受到应力、热或电磁场的刺激时，超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构，从而改变刚度，同时会造成塑性变形且变化不连续，调节过程十分困难。”论文第一作者兼共同通讯作者、研究团队副研究员方鑫说。
为解决这个难题，研究团队提出了基于多功能动态基元和易变—牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。
通俗地说，该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料，它可以根据不同的“命令”，在齿轮旋转时，使坚固的材料变得更坚硬/更柔软或变形。
“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示，可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件实现。要实现机械性能可调但坚固的固体，需要确保在大作用力下的可调性和强耦合（可靠连接），同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现，这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”
方鑫透露，除了尝试以齿轮作为基元外，团队还尝试过很多其他构型，比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型，但都无法实现他们想要的这种调控特性。
为什么是齿轮簇？“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说，刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中，也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组，而单元做恰当排列就可形成超材料。
从太极图中获取内部结构设计灵感
既然齿轮是可被利用的元件，那它的内部结构该如何设计？
超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示，在众多设计方案中，团队从太极图中获取灵感，最终设计了形似太极图的齿轮，其形状以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。
“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单大气又有用的形状，脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象，四象生八卦’这句话，随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’，而我们想要的材料特性也是‘变’。”方鑫说，“引入太极理念后，我们设计的构型具有正极性和负极性，提供了一个很好的设计维度。”
在此基础上，该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架（前和后）将齿轮排列成简单的图案，外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下，臂部的变形以弯曲为主。
“任何两个啮合齿轮的自转方向都是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时，极性为正，反之则具有负极性。”方鑫说。
为了验证这一构想，团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5行6列的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235微米，最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。
“这种微型试件的等效模量Ey（θ）可以平滑地调整35倍（从8.3MPa到295MPa）。用金属材料制备的样品调节范围则可达到75倍。”方鑫说，这意味着即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。
旋转变速器行星齿轮即可“变身”
该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法，使其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性。”方鑫介绍，团队探索发现，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。
“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形，其内部的行星齿轮是齿环变形的支点，通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度，从而对超材料参数进行调节。”方鑫说，对于组装的超材料，所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上，这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此，只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。
“有趣的是，我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制，另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。
该团队提出了几个可展示齿轮基超材料广泛应用潜力的场景。“对于机器人，可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度则在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。
“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料，利用集成制造将这些可调特性连接起来，以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例，高分辨率和大规模的3D打印，使基于齿轮的超材料进一步小型化和延伸成为可能。” 方鑫说。
《自然》审稿编辑认为，这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径，比如通过使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。https://t.cn/A6SEOJHs
【从太极图中获取内部结构设计灵感，超“听话”的超材料诞生了！】记者9月12日从国防科技大学获悉，该校的研究者们提出一种原创性的智能超材料设计方法，实现了金属基材料刚度和形状的大范围、连续、快速调节，具有重要的科学意义和工程应用价值。
相关研究作为8月封面文章https://t.cn/A6SEOJHF近日发表于《自然—材料》，并被《自然》评为今年6月全球重要科技进展（全球共4项）。
齿轮簇实现机械性能调节
近年来，智能材料广受关注，它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而，常规材料一旦制备，特性就几乎不能改变，部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性，但不具备工程实际可操作性。
“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料，为高性能装备设计提供了前沿技术支撑，但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制，需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”该校智能科学学院振动与噪声控制研究团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。
“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式，即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，这种模式下，当受到应力、热或电磁场的刺激时，超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构，从而改变刚度，同时会造成塑性变形且变化不连续，调节过程十分困难。”论文第一作者兼共同通讯作者、研究团队副研究员方鑫说。
为解决这个难题，研究团队提出了基于多功能动态基元和易变—牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。
通俗地说，该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料，它可以根据不同的“命令”，在齿轮旋转时，使坚固的材料变得更坚硬/更柔软或变形。
“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示，可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件实现。要实现机械性能可调但坚固的固体，需要确保在大作用力下的可调性和强耦合（可靠连接），同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现，这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”
方鑫透露，除了尝试以齿轮作为基元外，团队还尝试过很多其他构型，比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型，但都无法实现他们想要的这种调控特性。
为什么是齿轮簇？“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说，刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中，也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组，而单元做恰当排列就可形成超材料。
从太极图中获取内部结构设计灵感
既然齿轮是可被利用的元件，那它的内部结构该如何设计？
超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示，在众多设计方案中，团队从太极图中获取灵感，最终设计了形似太极图的齿轮，其形状以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。
“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单大气又有用的形状，脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象，四象生八卦’这句话，随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’，而我们想要的材料特性也是‘变’。”方鑫说，“引入太极理念后，我们设计的构型具有正极性和负极性，提供了一个很好的设计维度。”
在此基础上，该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架（前和后）将齿轮排列成简单的图案，外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下，臂部的变形以弯曲为主。
“任何两个啮合齿轮的自转方向都是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时，极性为正，反之则具有负极性。”方鑫说。
为了验证这一构想，团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5行6列的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235微米，最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。
“这种微型试件的等效模量Ey（θ）可以平滑地调整35倍（从8.3MPa到295MPa）。用金属材料制备的样品调节范围则可达到75倍。”方鑫说，这意味着即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。
旋转变速器行星齿轮即可“变身”
该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法，使其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性。”方鑫介绍，团队探索发现，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。
“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形，其内部的行星齿轮是齿环变形的支点，通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度，从而对超材料参数进行调节。”方鑫说，对于组装的超材料，所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上，这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此，只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。
“有趣的是，我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制，另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。
该团队提出了几个可展示齿轮基超材料广泛应用潜力的场景。“对于机器人，可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度则在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。
“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料，利用集成制造将这些可调特性连接起来，以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例，高分辨率和大规模的3D打印，使基于齿轮的超材料进一步小型化和延伸成为可能。” 方鑫说。
《自然》审稿编辑认为，这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径，比如通过使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。https://t.cn/A6SEOJHs
相关研究作为8月封面文章https://t.cn/A6SEOJHF近日发表于《自然—材料》，并被《自然》评为今年6月全球重要科技进展（全球共4项）。
齿轮簇实现机械性能调节
近年来，智能材料广受关注，它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而，常规材料一旦制备，特性就几乎不能改变，部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性，但不具备工程实际可操作性。
“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料，为高性能装备设计提供了前沿技术支撑，但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制，需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”该校智能科学学院振动与噪声控制研究团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。
“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式，即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，这种模式下，当受到应力、热或电磁场的刺激时，超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构，从而改变刚度，同时会造成塑性变形且变化不连续，调节过程十分困难。”论文第一作者兼共同通讯作者、研究团队副研究员方鑫说。
为解决这个难题，研究团队提出了基于多功能动态基元和易变—牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。
通俗地说，该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料，它可以根据不同的“命令”，在齿轮旋转时，使坚固的材料变得更坚硬/更柔软或变形。
“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示，可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件实现。要实现机械性能可调但坚固的固体，需要确保在大作用力下的可调性和强耦合（可靠连接），同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现，这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”
方鑫透露，除了尝试以齿轮作为基元外，团队还尝试过很多其他构型，比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型，但都无法实现他们想要的这种调控特性。
为什么是齿轮簇？“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说，刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中，也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组，而单元做恰当排列就可形成超材料。
从太极图中获取内部结构设计灵感
既然齿轮是可被利用的元件，那它的内部结构该如何设计？
超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示，在众多设计方案中，团队从太极图中获取灵感，最终设计了形似太极图的齿轮，其形状以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。
“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单大气又有用的形状，脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象，四象生八卦’这句话，随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’，而我们想要的材料特性也是‘变’。”方鑫说，“引入太极理念后，我们设计的构型具有正极性和负极性，提供了一个很好的设计维度。”
在此基础上，该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架（前和后）将齿轮排列成简单的图案，外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下，臂部的变形以弯曲为主。
“任何两个啮合齿轮的自转方向都是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时，极性为正，反之则具有负极性。”方鑫说。
为了验证这一构想，团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5行6列的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235微米，最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。
“这种微型试件的等效模量Ey（θ）可以平滑地调整35倍（从8.3MPa到295MPa）。用金属材料制备的样品调节范围则可达到75倍。”方鑫说，这意味着即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。
旋转变速器行星齿轮即可“变身”
该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法，使其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性。”方鑫介绍，团队探索发现，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。
“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形，其内部的行星齿轮是齿环变形的支点，通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度，从而对超材料参数进行调节。”方鑫说，对于组装的超材料，所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上，这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此，只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。
“有趣的是，我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制，另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。
该团队提出了几个可展示齿轮基超材料广泛应用潜力的场景。“对于机器人，可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度则在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。
“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料，利用集成制造将这些可调特性连接起来，以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例，高分辨率和大规模的3D打印，使基于齿轮的超材料进一步小型化和延伸成为可能。” 方鑫说。
《自然》审稿编辑认为，这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径，比如通过使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。https://t.cn/A6SEOJHs
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