“要是在古代，我就是个‘打铁匠’。”在位于伦敦帝国理工（Imperial College London）的办公室里，林建国向我这样解释他“到底是干什么的”。
这样的开场白多少有些令我吃惊，因为在采访之前，我已听闻他是帝国理工机械工程学院材料力学部的主任，同时还是英国皇家工程院院士，这些身份都很难让人将其与“打铁匠”联系起来。
但我很快发现他的这种“打比方”式的谈话风格，不仅有趣，而且还有种举重若轻的独特效力。在近两个小时的采访中，林建国向我谈起了他进入“金属成型”这个研究领域的偶然与必然，也谈起了他的研究与世界上热门的“轻量化”先进制造领域存在着怎样的关联。
受访者简介：
林建国，帝国理工（Imperial College London）机械工程学院教授、材料力学部主任，英国皇家工程院院士。
他是世界上最早运用成熟的数学方法来模拟、预测与控制“金属成型”过程的学者之一。他和他的团队还开创了“热成型淬火”（HFQ）技术，该技术将轻金属的钣金成型与热处理“合二为一”，同时实现“定型”和“定性”。这项先进技术率先解决了高强度铝合金在工业生产中的制造难题，实现了高强度、复杂形状钣金零件的一次性成型，进而满足了汽车、航空、航天和轨道交通车辆制造等领域中对零件性能、减重和结构复杂性的要求。
目前，“热成型淬火”（HFQ）技术已经获得了包括中国在内的37个国家的专利保护，并已通过帝国理工学院成立的衍生公司Impression Technologies Ltd.实现了技术产业化。该技术已经在世界航空、航天及汽车工业界得到了广泛的应用，极大地促进了世界各国相关领域的“轻量化”变革。
从“做皮鞋”到“做航空发动机”
“1988年，我来到英国，最早从事的研究工作跟‘做皮鞋’相关。”林建国教授说。
“做皮鞋”，指的是他早年在英国谢菲尔德大学读博士时，主攻的“皮鞋的计算机辅助设计”专业方向。博士毕业后，他选择留校从事博士后研究工作，主要研究方向变成了“航空发动机叶片服役期间的高温蠕变”（High-temperature Creep），之后又做了几年同属于固体力学范畴的“疲劳断裂”的研究。
“这些研究主要都是应用到航空发动机里。”林建国回忆道。他坦言，当时自己从事这些研究，尽管也有一些兴趣因素存在，但更多的是为了解决生存与“面包”的问题。
真正能根据自己的兴趣做出自由选择的时期，出现在他去伯明翰大学担任讲师之后。 “1996年，我到伯明翰大学做了讲师，因为此前我有做‘皮鞋的计算机辅助设计’的经验，所以学校一开始让我做的是与此相关的‘计算机图形学’（Geometric Modelling）方面的研究。”他说。
几年之后，年轻的林建国遇到了他人生中的一个重要的“转折点”：“当时系里专门做‘金属成型’（Metal Forming）研究的老教授崔佛·迪安（Prof. Trevor Dean）退休了，需要有一个人来接手这方面的研究，系里推选了我。”这成为了他正式进入“金属成型”领域的开端，此后，他在研究方向上，慢慢从被动选择，转向了主动取舍。
2008年，林建国在帝国理工学院的诚邀下离开伯明翰大学，到该校机械工程学院任教授。该学院下设三个学部，即材料力学、应用力学和流体热力学，而他当时来担任的是材料力学学部主任，也是该方向有史以来第一位华人教授。该学部包含五个研究组，林建国在学部层面总揽全局的同时，还在主要负责“金属成型和材料模拟”这个研究组的日常管理以及这个方向的博士生指导工作。
“万物演化的过程，达尔文用语言来描述，而我们用数学。”
在林建国看来，“金属成型”这项技术自古代铁匠“打铁”时算起，已经有1400多年的历史了，与每个人的日常生活都息息相关。而他在做的，就是去面对现代化工业生产对这项古老的技术提出的新的挑战，解决新的科学和技术问题。
他解释说：“古代打造宝剑，用同一种材料，有的铁匠打出来的宝剑质量好，削铁如泥，有的铁匠打出来的质量差，以前的说法是因为不同的铁匠对火候把握得不同。但我们现在从科学的角度来看这个事情，火候掌握得好不好，其实是一个与时间有关的‘演化’问题。打铁，一锤子打下去，中间会有一段时间，在这段时间之中，材料内部的微观组织结构发生了很多的变化，我们现在的工作就是采用科学的手段，去模拟、预测并精确控制成型过程中微观组织结构的演化。”
事实上，在林建国之前，已经有很多学者采用传统的方法来模拟和预测成型后的产品形状，但对于“金属成型”过程中随时间“演化”的物理现象却一直没有精确的科学方法来进行计算和预测。林教授也是最早提出采用随时间“演化”的科学方法来模拟、预测和精确控制整个金属成型过程的学者，他的研究成果一直在该领域处于世界领先水平。
他表示：“我和我的团队在这个方面所做的贡献，就是率先提出了一套描述材料力学及微观组织演化的理论公式，使得人们可以用一种将数学、物理和材料力学相结合的、更加科学的方法来描述金属成型过程，进而使得金属成型过程可预测且精确可控。在当时，还没有现成的理论涉及这个方面，所以可以说是我们开创了这个思路和理论。”
这么做的好处是什么呢？那就是人们再也不用像古代一样，仅凭铁匠的个人经验与感悟来打铁，还可以满足现代工业大批量生产的要求。
“宇宙万物所有的过程都是一个与时间有关系的演化过程，我们就是要把这个演化的过程用数学方程式描述出来，这和达尔文的进化论也是一脉相承的。只不过，万物演化的过程，达尔文用语言来描述，而我们用数学。”林建国说。
来自林建国团队的这套理论和方法，现在已经被广泛应用到了很多工业领域的产品制造中，比如塔塔钢铁公司（TATA Steel，是目前世界上最大的钢铁公司）、罗尔斯·罗伊斯公司（Rolls-Royce）和空客公司（Airbus）等。这些公司之所以采用这套方法，是因为通过这套方法“很多以前做不出来的零件，现在可以做出来了，很多以前控制不了的过程，现在可以控制了”。
“比如制造航空发动机上的一个关键零件——涡轮叶片，设计师在设计叶片的时候，提出了对微观组织的设计要求，这可以让叶片的性能最佳、寿命最长，但是问题的难点在于，如何在生产制造的过程中提出并采用正确成型和热处理的工艺参数”，他接着说：“我们这一套理论和方法，特别适用于模拟和优化热力耦合条件下的复杂成型过程，进而指导实践，以自动化的方式来控制整个生产过程，使制造出来的叶片的微观组织结构满足设计要求。”
开创“热成型淬火”（HFQ）技术
在与工业界的交流过程中，林建国敏锐地觉察到，“轻量化”先进制造将成为下一个全球性的研究热点。他的团队于十多年前，就已将其研究领域扩展到了“轻量化”制造领域。
据林建国介绍，近年来，“轻量化”研究之所以“热”，一个重要原因是世界各国对汽车减排和环境保护的需求增多，而在增强汽车舒适度、安全性的同时，减轻车身的重量，是减少汽车尾气排放量的最有效途径。
在“轻量化”制造领域，此前不少学者曾提出大量采用复合材料代替传统金属材料的想法，但林建国认为，在未来不管复合材料应用得如何广泛，金属材料仍将扮演重要的角色，特别是在高度自动化的工业生产中，在这种情况下，从事基于金属材料的“轻量化”制造方面的研究工作就具有了必要性和重要意义。
“此前，在航空航天领域，已经做了很多‘轻量化’制造方面的研究工作，但在汽车中，铝合金的使用还不是很多。”林建国告诉我，这主要是因为铝合金这类轻金属材料有一些自身的局限性：“比如采用传统冷成型工艺对它进行塑性变形比较困难，因为它比较脆，常温下的塑性变形容易导致断裂。这已经是一个国际公认的‘轻量化’制造领域的技术难题。我们团队在这方面所做的研究，是通过数学模拟和少量材料实验，确定最佳成型工艺参数，并已经攻克了这项技术难题。”
“在轻量化构件的制造过程中，最理想的状态是，在成型时，金属变形像‘揉面’一样塑性好，可以按照设计的形状成型出理想的曲面；在成型之后，又希望它强度高、性能稳定，这需要通过成型后热处理的方式来实现。于是，我们就开创了一个新的思路，就是使用冷模具淬火，在开展高温塑性成型的同时，完成热处理。”他说。
他们开创的这个把轻金属的钣金成型与热处理“合二为一”的技术，就是现在被工业界广泛应用的“热成型淬火”（HFQ）技术。据介绍，目前，该技术已经申请了国际专利保护，帝国理工还针对这个技术投资成立了技术推广公司，以实现该技术的产业化、商业化。
汽车“轻量化”，关键是“价格”
在林建国办公室的几个显眼位置，摆放着课题组取得的最新研究成果，这些看上去形状复杂的零件，背后都有着丰富的故事。
在采访的过程中，林建国随手从书架上拿起一个手掌大小的金属零件，对我说：“这是连接飞机机翼上壁板和下壁板的加强筋。制造航空零件的材料都很昂贵，以前要制作这个零件，有95%的材料都要被切削掉，很浪费。而采用我们的方法，可以用板材直接把这个薄壁零件成型出来，而不用去浪费掉95%的材料。这样既能节省材料和资源，也能大大降低生产成本。”他讲这个故事给我，主要是为了说明一个研究成果要实现商业化、产业化，最关键的因素是“成本”与“价格”。
他以汽车的“轻量化”为例进行了说明：“碳纤维等新兴的复合材料应该说是一个未来的方向，但在现阶段，要广泛应用它，还有很多问题没有解决，比如‘成本’问题。这种材料，要是用在赛车上，没有问题，因为一辆赛车的造价到几百万元也没问题。但如果用在日用车上，采用的材料成本高了之后，价钱肯定会昂贵，消费者买不起。”
相比于碳纤维等符合材料，铝合金的价格就要低廉很多，但加工铝合金需要一个先进的技术，如果技术没有提高，制造过程所产生的成本也将会很高。
他举了个例子，比如为了减轻汽车的自重，实现汽车“轻量化”，一些公司开始考虑用铝合金来生产“车门内板”，但因为很多公司的制造技术没有提高，无法只用一块完整的铝合金板来制造这个“车门内板”，设计师就把车门内板设计成5块“小零件”，分别成型以后再用激光焊接技术把它拼焊起来，这样制造的铝合金“车门内板”，与传统的采用钢板成型的车门内板相比，不仅材料成本提高了，制作过程中的成本也高出了许多，最终导致只有高端的车能用得起这个零件。
而林建国团队最近与莲花（Lotus）汽车公司合作，采用“热成型淬火”（HFQ）技术，只需要用一块铝合金板，就能制造出整体“车门内板”这个关键零件。这样一来，与传统的钢板车门内板相比，成本差异就只是铝合金板与钢板的材料价格差异，制作过程中的成本并没有大幅增加，整体成本上的差异就大大缩小了。
“业界计算过，按照此前的技术，如果一辆汽车要采用全铝车身来实现‘轻量化’，它的售价不能低于3.5万英镑，基本只能用于高端（Premier）的车型；而运用我们的技术，成本大幅降低，汽车的售价可以大幅降低，最低可到1.8万英镑。这意味着目前市面上60%的车，都可以来采用这个技术，而不再仅仅局限于高端车型。”林建国说。
据业界的计算，采用林建国团队的技术，可以将普通汽车的重量减轻45%-50%，这将减少23%-30%的燃油。“这个数字是非常可观的，整个中国有上亿辆汽车，每辆车如果能减少这么多的燃油，你可以算算，每年可以省下多少油。”他说。
按照欧洲通行的规定，因为“轻量化”的材料本身成本要比普通材料高，车身重量每减少一公斤，它的售价至少可以提高5欧元。林建国认为：“这样算起来，它在价格方面的适度增加其实是可以接受的，因为消费者购买它之后，很快就可以通过节省的燃油费用把这部分补偿回来。”
技术，不是一本书、一篇文章就能带回去的
这套理论和技术有没有它的局限性？林建国直言，答案是“有”，最大的缺点就是它比较复杂，要应用它，需要比较完善的配套技术和人才，以及一整套质量监控的体系。
据了解，中国很多高校和研究机构的学者、研究人员目前也希望学习这方面的理论和方法，不时有来自中国的学者来此交流学习，想要把这套理论和技术带回中国。 “我们建立的是一个框架性的理论，但是具体运用什么材料、具体运用的过程等等方面，他们还可以继续做一些研究和探讨。”林建国说。
而他们与中国国内科研界、工业界的合作与交流，又大多集中在“轻量化”这个研究领域。他坦言：“我们有技术，国内有迫切的需求，于是就促成了这个方面的很多合作。”
在林建国看来，技术，不是一本书、一篇文章就能带回去的，它需要由“人”来带回去， “不是说把研究的报告和论文给他们，让他们拿回去看一看就能把相同的成果做出来。我希望的是国内的研究人员和我们的研究人员一起来做研究，在这个过程中，有问题一起分析、解决，大家互相学习。他们在与我们的人一起做研究的过程中，也能够更加清楚这个过程中的成功与失败，回去之后，就更有利于他们把这个技术发扬光大，做得更好。”林建国说。
“取”容易，但“舍”很难
回顾过去在英国学习和从事科研的人生道路，林建国觉得，最难的，是如何做出“取”与“舍”的选择。
“对一个人来说，‘取’容易，‘舍’很难。比如我刚开始在伯明翰大学当讲师的时候，研究资金一分钱也没有。这时就有一些公司来找到我说：‘给你多少钱，你来帮我把这个这个东西做出来。’这些方向，可能并不是你真正想做的，前景也不大，但就好比在你正饿着肚子、迫切需要面包的时候，别人正好递给你一个面包。这个面包，你接不接受，这个选择很难。”他说。
转眼间，十几年过去了，现在回头看，林建国认为自己当时婉拒这些“面包”的决定是正确的。而他也发现，当自己走到现在这个人生阶段之时，依然面临着“取”与“舍”的艰难抉择，而且难度比年轻时还要大，因为现在“摊子越来越大”、诱惑越来越多，比如目前他手里正在做的项目研究经费就有1500多万英镑。
“什么情况下可以‘取’，什么情况下应该‘舍’，我又应该如何把自己的精力集中在科学研究之上，而不是耗费在管理事务和其他非科研的事务上。”他对我说，这些是他最近正在思考的问题。
本文出自194期《华闻周刊》杂志“海外传奇”栏目，订阅杂志
