第七章先進(jìn)制造理念A(yù)dvancedmanufacturingconcepts先進(jìn)制造技術(shù)Contents7.1高性能制造7.2極端制造7.3本章小結(jié)7.1高性能制造-3-7.1高性能制造的需求內(nèi)涵我國航空航天、高性能武器裝備、重大工程機(jī)械、海洋裝備、等空天地海國家重大工程的建設(shè)與發(fā)展，對高端裝備的性能提出了更高要求。天宮一號飛行器隱身戰(zhàn)斗機(jī)高超聲速導(dǎo)彈大型水面艦艇大型盾構(gòu)機(jī)蛟龍?zhí)柹詈Ｌ綔y器高性能制造的需求7.1高性能制造的需求內(nèi)涵滿足極端環(huán)境、復(fù)雜工況服役需求的高性能制造裝備和關(guān)鍵基礎(chǔ)件等對外依存度達(dá)90%以上；核心技術(shù)缺失，部分重大裝備落后國際先進(jìn)國家2代以上。燃?xì)廨啓C(jī)軸承重載直升機(jī)傳動系統(tǒng)大型復(fù)合材料構(gòu)件鋪絲機(jī)高性能涂層設(shè)備以高端產(chǎn)品高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)，通過自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主可控，是保障國家戰(zhàn)略安全的迫切需求。7.1高性能制造的需求內(nèi)涵飛機(jī)鈦合金整體構(gòu)件發(fā)動機(jī)葉片航空發(fā)動機(jī)高超音速飛行器空天飛機(jī)-6-航空發(fā)動機(jī)需要葉片更加輕質(zhì)，且具有更高的耐熱溫度和抗疲勞特性。飛機(jī)機(jī)體構(gòu)件要求輕量化，且需要具備足夠的強(qiáng)度、剛度、抗疲勞特性。高超聲速飛行器及空天飛機(jī)的氣動加熱問題，對于熱氣動彈性主動控制結(jié)構(gòu)、智能熱控結(jié)構(gòu)等提出了更加苛刻的要求。無線電導(dǎo)航和探測方面，隱身、輕量化等要求采用與蒙皮一體化的共形天線。共形天線國防工業(yè)7.1高性能制造的需求內(nèi)涵-7-復(fù)雜形狀內(nèi)腔體構(gòu)件已經(jīng)成為新一代戰(zhàn)機(jī)、遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、新型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等新一代武器裝備的重要零件。高溫高壓、梯度變化的極端的服役環(huán)境；復(fù)雜的內(nèi)外腔體結(jié)構(gòu)；高尺寸精度，高表面質(zhì)量的加工要求。高精度、高靈敏度水聲探測需要大幅度提高壓電陶瓷傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)化效率。復(fù)雜形狀內(nèi)腔構(gòu)件高精度水聲探測復(fù)雜形狀內(nèi)腔構(gòu)件7.1高性能制造的需求內(nèi)涵-8-新能源等高技術(shù)領(lǐng)域中，光電轉(zhuǎn)換、運(yùn)動減阻、防滑、油水分離、自清潔等，需要采用高性能表面以提高效率。性能要求逐漸提高對表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的高精度、高性能制造提出了巨大的挑戰(zhàn)。仿蛾眼高能吸附表面仿蝶翅高能吸附表面仿鯊魚皮減阻表面仿壁足大吸力表面仿荷葉、水黽超疏水表面仿生工業(yè)7.1高性能制造的需求內(nèi)涵-9-核電等裝備的長期運(yùn)行要求其超大型鍛件、高速運(yùn)動部件等具有優(yōu)異的抗磨損、耐腐蝕、耐疲勞特性，以滿足超長使役可靠性要求。核主泵主軸鍛件高壓密封件復(fù)雜支架結(jié)構(gòu)功能性細(xì)觀周期結(jié)構(gòu)鈦合金人工錐體工業(yè)裝備輕量化、人工生物組織制造、功能材料零件制造等在設(shè)計(jì)中存在大量的宏觀、細(xì)觀，甚至微觀的幾何特征，對制造技術(shù)提出了更高要求。核電及其他工業(yè)-10-7.1高性能制造的需求內(nèi)涵以滿足性能為目標(biāo)的一個(gè)自上而下的反求制造過程打通產(chǎn)品性能、零件設(shè)計(jì)特征集、制造工藝和工藝參數(shù)集聯(lián)系，建立其內(nèi)在的相互依賴關(guān)系數(shù)學(xué)模型破解設(shè)計(jì)制造中公差分配逐級嚴(yán)苛等難題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、公差分配、工藝選擇設(shè)計(jì)環(huán)

產(chǎn)品目標(biāo)集合主要功能集功能1、功能2、…關(guān)鍵件零件1、零件2、…

制造環(huán)

關(guān)鍵件特征集特征集1、特征集2、…可行工藝集合工藝參數(shù)集合高性能制造的要求-11-通過裝備或零件的性能、材料和幾何特性參數(shù)的建模，相容性和敏度分析，確定出可供選擇的制造工藝以及工藝載荷的物質(zhì)與能量輸入條件，建立面向性能的反問題求解模型。表面圖案表面功能層跨尺度特征比表面能零件功能化組織結(jié)構(gòu)表面功力熱磁聲光電耐磨損抗腐蝕抗疲勞耐輻射抗干擾超疏水高靈敏………表面成分表面織構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)幾何形狀材料特性…宏細(xì)觀特性制造工藝參數(shù)工藝載荷材料加工載荷7.1高性能制造的需求內(nèi)涵高性能制造的內(nèi)涵7.1高性能制造的需求內(nèi)涵-12-工藝載荷x—制造工藝參數(shù)及方式確定的能量與物質(zhì)輸入材料加工載荷y—溫度場、應(yīng)力場、化學(xué)位場等加工過程印記PS—宏觀幾何形狀、表面完整性等與材料加工載荷對應(yīng)的量化關(guān)系基于知識的方法基于實(shí)驗(yàn)迭代的試錯(cuò)法不適定的反問題一般表達(dá):

Ax=b

b

-零件性能;x-工藝載荷;A-系數(shù)矩陣，包含材料、幾何多源耦合作用基于材料響應(yīng)物理機(jī)制建立加工模型:y=Mx正則化：引入材料約束M，使x可用y描述，依據(jù)決定性能的度量Lb和y的適定關(guān)系（PS），從所需的材料加工載荷反求得到性能要求的x

。LAM-1y≈

Lb;x=M-1y高性能制造的本質(zhì)建模和反求設(shè)計(jì)與制造-13-7.1高性能制造的主要特征與挑戰(zhàn)高性能制造----高性能裝備制造和高性能零件制造高性能制造---高性能要求裝備和零件多以透波、傳熱、導(dǎo)流、動力學(xué)等性能為主要制造指標(biāo)，零件往往具有曲面復(fù)雜、材料超硬、超脆、超粘等難加工和精度要求高等特征，性能受幾何、材料等多因素影響，其制造是傳統(tǒng)制造理念所難以滿足的。高性能制造的主要特征-14-7.1高性能制造的主要特征與挑戰(zhàn)高端裝備設(shè)計(jì)涉及機(jī)、電、液、信息等多學(xué)科交叉，以滿足裝備性能指標(biāo)為第一要求高端裝備設(shè)計(jì)制造應(yīng)是：面向制造的設(shè)計(jì)（DFM）+面向性能的設(shè)計(jì)（DFP）+面向性能的制造（MFP）高端裝備設(shè)計(jì)往往需要大規(guī)模變量（100000+）的多學(xué)科優(yōu)化流程：拓?fù)鋬?yōu)化、氣動優(yōu)化、載荷分析、可靠性分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化高性能制造的挑戰(zhàn)7.2極端制造-15-7.2極端制造內(nèi)涵與特征-16-極端制造的內(nèi)涵極端制造(ExtremeManufacturing）也稱極限制造、超常制造，是指在極端條件或環(huán)境下，運(yùn)用先進(jìn)制造技術(shù)及高端裝備，制造極端尺度（極大或極小尺度）、極限精度、極高性能的結(jié)構(gòu)、器件或系統(tǒng)，以及能產(chǎn)生極端物理環(huán)境或條件的科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。極端制造的基本科學(xué)問題是研究物質(zhì)如何通過與能量的復(fù)雜、精準(zhǔn)的交互作用演變?yōu)闃O端性能產(chǎn)品的科學(xué)規(guī)律。上述極端制造的過程及系統(tǒng)的理論、方法和技術(shù)稱為極端制造技術(shù)科學(xué)。精密物理實(shí)驗(yàn)裝置爆轟實(shí)驗(yàn)沖擊實(shí)驗(yàn)7.2極端制造內(nèi)涵與特征-17-領(lǐng)域代表性期刊：《極端制造》《極端制造》（InternationalJournalofExtremeManufacturing，IJEM）由中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所、大連理工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國工程物理研究院激光聚變研究中心共同主辦，由大連理工大學(xué)郭東明院士擔(dān)任國內(nèi)主編。2021年12月，《極端制造》期刊被ScienceCitationIndexExpanded（SCIE）數(shù)據(jù)庫收錄。IJEM的首個(gè)影響因子為10.036。2023年獲得第二個(gè)影響因子：14.7，榮登JCR工程/制造領(lǐng)域第一。《極端制造》期刊封面7.2極端制造內(nèi)涵與特征-18-極端制造的特征極大尺寸的巨系統(tǒng)制造極高速裝備制造極小尺寸微納制造超精密制造極端環(huán)境（溫度、壓力）環(huán)境下的制造或服役極端制造的特征極高能量密度制造隨著制造業(yè)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，極端制造的內(nèi)涵具有明顯的時(shí)代特征，即是說，制造精度、運(yùn)行速度、環(huán)境溫度/壓力等極限值與時(shí)俱變、與時(shí)俱進(jìn)。只有充分認(rèn)識到極端制造的這種與時(shí)俱變、與時(shí)俱進(jìn)的時(shí)代特征，才能在國際科技及其產(chǎn)業(yè)競爭中立于不敗之地。7.2極端制造內(nèi)涵與特征-19-極大尺寸的巨系統(tǒng)制造當(dāng)前，最大火箭直徑達(dá)10米，其燃料貯箱封頭需輕量化無縫整體成形、最大的航空母艦超過10萬噸級、最大的盾構(gòu)機(jī)直徑超過18米、最大貨船超過60萬噸級、下一代核島不銹鋼無縫整體長壽命環(huán)件直徑超過15米。長征五號B運(yùn)載火箭盾構(gòu)機(jī)航空母艦以上超大型裝備及構(gòu)件的制造呼喚著極端制造技術(shù)。7.2極端制造內(nèi)涵與特征-20-極高速裝備制造真空磁浮列車超高速機(jī)床空氣磁浮主軸天問1號火星探測器超高速機(jī)床空氣磁浮主軸的轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘20萬轉(zhuǎn)、真空磁浮列車最高速預(yù)計(jì)可達(dá)1000公里時(shí)速、超高空超音速飛行器速度可達(dá)8-10馬赫、太空探測器航行最快速度15千米/秒，每小時(shí)54000公里。微射流光纖傳輸系統(tǒng)，約比現(xiàn)在的光纖傳輸速度快10倍、未來的量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行3秒的速度，相當(dāng)于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)運(yùn)行上百億年。7.2極端制造內(nèi)涵與特征-21-極小尺寸微納制造10年前，芯片線寬加工極限是7納米，臺積電公司最近將芯片特征線寬加工進(jìn)入3納米以內(nèi)，并正在趨近芯片線寬的物理極限。微型坦克大小為厘米尺度，膠囊機(jī)器人尺寸為毫米尺度，中國科學(xué)家已經(jīng)成功制造出DNA納米機(jī)器人，今后還可能出現(xiàn)分子/原子機(jī)器人。膠囊機(jī)器人DNA納米機(jī)器人臺積電芯片7.2極端制造內(nèi)涵與特征-22-10多年前，超精密加工的加工精度極限是納米級，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到亞納米級、原子級。量子制造的概念及研究已在國內(nèi)外出現(xiàn)。最高精度的超精密機(jī)床切削工件的表面粗糙度達(dá)到1nm。超大規(guī)模集成電路光刻機(jī)物鏡面形精度達(dá)2nmPV。光刻機(jī)物鏡光刻機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)超精密制造單點(diǎn)金剛石飛切7.2極端制造內(nèi)涵與特征-23-極端環(huán)境（溫度、壓力）環(huán)境下的制造或服役J級燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1600℃，必須要研究耐更高溫的葉片材料和工藝；科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鋁合金在超低溫環(huán)境下成形時(shí)其延伸率明顯提高，超低溫加工成形可能是制造極大復(fù)雜構(gòu)件的新方法。深海裝備水下10000米作業(yè)時(shí)，水壓力將達(dá)100MPa，裝備必須能具備抗高壓的結(jié)構(gòu)和密封。蛟龍?zhí)枬撍魅細(xì)廨啓C(jī)葉片J級燃?xì)廨啓C(jī)7.2極端制造內(nèi)涵與特征-24-極高能量密度制造超強(qiáng)超短聚焦激光的功率密度將達(dá)1026W/cm2，其脈沖寬度將縮短為阿秒（10-18）級；水射流切割的水壓力可高達(dá)600MPa，射流速度大于4馬赫。超強(qiáng)超短聚焦激光實(shí)驗(yàn)裝置水射流切割加工鑒于極端制造具有的時(shí)代特征，隨著制造業(yè)的國際競爭及高科技的迅速發(fā)展，一個(gè)時(shí)期可用的技術(shù)會很快過時(shí)，其技術(shù)可用性周期在不斷縮短。在極端制造領(lǐng)域，只有不失時(shí)機(jī)、不停頓地進(jìn)行探索和深入研究，才能跟上時(shí)代世界科技發(fā)展的潮流，為國家的強(qiáng)盛做出貢獻(xiàn)。時(shí)代特征7.2極端制造主要技術(shù)領(lǐng)域-25-極大尺度制造極小尺度制造重型運(yùn)載火箭光電子器件以100噸級載荷的重型運(yùn)載火箭制造為例：火箭外徑為10米級、總長100米級，徑厚比高達(dá)1000，為整體高柔性和局部高剛性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。微電子、光電子器件由微、納尺度結(jié)構(gòu)承載與傳遞信息流，提高極小尺度結(jié)構(gòu)制造品質(zhì)是信息保真?zhèn)鬏數(shù)幕A(chǔ)和突破口。超大規(guī)模集成電路芯片線寬已接近3-5nm的制造極限，原子、量子制造技術(shù)的突破已迫在眉睫。原有常規(guī)制造所需的材料構(gòu)件流變科學(xué)、精度與性能精準(zhǔn)等技術(shù)不再適用。亟需通過極端制造進(jìn)行原創(chuàng)突破，提出新的理論及技術(shù)。7.2極端制造主要技術(shù)領(lǐng)域-26-超精密制造高功率固體激光裝置超精密制造主要包括三個(gè)領(lǐng)域：超精密切削加工，如金剛石刀具的超精密切削；超精密磨削和研磨加工，如集成電路基片的加工；超精密特種加工，如電子束、離子束刻蝕的方法。所示高功率固體激光裝置是當(dāng)今規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜且系統(tǒng)性極強(qiáng)的光學(xué)系統(tǒng)工程。離子束刻蝕結(jié)構(gòu)原理金剛石刀具超精密切削集成電路基片加工7.2極端制造主要技術(shù)領(lǐng)域-27-極高服役性能制造高超聲速巡航飛行器對產(chǎn)品服役功能的極度高要求，需要綜合多學(xué)科知識創(chuàng)造全新功能產(chǎn)品。高超聲速巡航飛行器速度高達(dá)8~10馬赫，飛行時(shí)熱防護(hù)構(gòu)件需承受極高溫（高達(dá)2300℃）需采用熱電轉(zhuǎn)換、微通道傳熱等新原理與新技術(shù)。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)微通道傳熱技術(shù)7.2極端制造主要技術(shù)領(lǐng)域-28-產(chǎn)生極端物理?xiàng)l件重大裝置的制造制造產(chǎn)生極端物理?xiàng)l件的設(shè)備正在成為未來科技發(fā)展的瓶頸。在新一代光源中，大型X射線反射鏡、高能負(fù)載納米衍射元件等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和制造，以及需要超高精度、高光子能量光學(xué)檢測和高精度X射線波前傳感的技術(shù)，都是制造科學(xué)中尚未取得實(shí)質(zhì)性突破的具有挑戰(zhàn)性的問題。對極端制造的需求都源于國家重大戰(zhàn)略目標(biāo)的技術(shù)瓶頸；比較現(xiàn)有產(chǎn)品，具有尺度極端、環(huán)境極端、品質(zhì)極端或性能極端的特征；現(xiàn)有制造技術(shù)難以滿足其極端制造目標(biāo)。以上極端制造實(shí)例的共同特點(diǎn)X射線自由電子激光器7.3本章小結(jié)-29--30-前沿制造理念是現(xiàn)代制造領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，它涵蓋了高性能制造、極端制造等。7.3本章小結(jié)高性能制造，即高性能裝備設(shè)計(jì)與制造，是指在裝備的設(shè)計(jì)制造全過程