先進制造技術 課件 第七章 前沿制造理念

第七章先進制造理念Advancedmanufacturingconcepts先進制造技術Contents7.1高性能制造7.2極端制造7.3本章小結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、重大工程機械、海洋裝備、等空天地海國家重大工程的建設與發(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)斗機高超聲速導彈大型水面艦艇大型盾構機蛟龍?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、復雜工況服役需求的高性能制造裝備和關鍵基礎件等對外依存度達90%以上；核心技術缺失，部分重大裝備落后國際先進國家2代以上。燃氣輪機軸承重載直升機傳動系統(tǒng)大型復合材料構件鋪絲機高性能涂層設備以高端產(chǎn)品高質量發(fā)展為目標，通過自主創(chuàng)新實現(xiàn)核心技術自主可控，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)涵飛機鈦合金整體構件發(fā)動機葉片航空發(fā)動機高超音速飛行器空天飛機-6-航空發(fā)動機需要葉片更加輕質，且具有更高的耐熱溫度和抗疲勞特性。飛機機體構件要求輕量化，且需要具備足夠的強度、剛度、抗疲勞特性。高超聲速飛行器及空天飛機的氣動加熱問題，對于熱氣動彈性主動控制結構、智能熱控結構等提出了更加苛刻的要求。無線電導航和探測方面，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-復雜形狀內(nèi)腔體構件已經(jīng)成為新一代戰(zhàn)機、遠程轟炸機、新型戰(zhàn)術導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；復雜的內(nèi)外腔體結構；高尺寸精度，高表面質量的加工要求。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電轉化效率。復雜形狀內(nèi)腔構件高精度水聲探測復雜形狀內(nèi)腔構件7.1高性能制造的需求內(nèi)涵-8-新能源等高技術領域中，光電轉換、運動減阻、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結構的高精度、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行要求其超大型鍛件、高速運動部件等具有優(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雜支架結構功能性細觀周期結構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計中存在大量的宏觀、細觀，甚至微觀的幾何特征，對制造技術提出了更高要求。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的一個自上而下的反求制造過程打通產(chǎn)品性能、零件設計特征集、制造工藝和工藝參數(shù)集聯(lián)系，建立其內(nèi)在的相互依賴關系數(shù)學模型破解設計制造中公差分配逐級嚴苛等難題結構設計、材料選擇、公差分配、工藝選擇設計環(huán)

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

制造環(huán)

關鍵件特征集特征集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構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………表面成分表面織構拓撲結構幾何形狀材料特性…宏細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輸入材料加工載荷y—溫度場、應力場、化學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的量化關系基于知識的方法基于實驗迭代的試錯法不適定的反問題一般表達:

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物理機制建立加工模型: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高性能制造的本質建模和反求設計與制造-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、導流、動力學等性能為主要制造指標，零件往往具有曲面復雜、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)高端裝備設計涉及機、電、液、信息等多學科交叉，以滿足裝備性能指標為第一要求高端裝備設計制造應是：面向制造的設計（DFM）+面向性能的設計（DFP）+面向性能的制造（MFP）高端裝備設計往往需要大規(guī)模變量（100000+）的多學科優(yōu)化流程：拓撲優(yōu)化、氣動優(yōu)化、載荷分析、可靠性分析、結構優(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，運用先進制造技術及高端裝備，制造極端尺度（極大或極小尺度）、極限精度、極高性能的結構、器件或系統(tǒng)，以及能產(chǎn)生極端物理環(huán)境或條件的科學實驗裝置。極端制造的基本科學問題是研究物質如何通過與能量的復雜、精準的交互作用演變?yōu)闃O端性能產(chǎn)品的科學規(guī)律。上述極端制造的過程及系統(tǒng)的理論、方法和技術稱為極端制造技術科學。精密物理實驗裝置爆轟實驗沖擊實驗7.2極端制造內(nèi)涵與特征-17-領域代表性期刊：《極端制造》《極端制造》（InternationalJournalofExtremeManufacturing，IJEM）由中國工程物理研究院機械制造工藝研究所、大連理工大學、復旦大學、中國工程物理研究院激光聚變研究中心共同主辦，由大連理工大學郭東明院士擔任國內(nèi)主編。2021年12月，《極端制造》期刊被ScienceCitationIndexExpanded（SCIE）數(shù)據(jù)庫收錄。IJEM的首個影響因子為10.036。2023年獲得第二個影響因子：14.7，榮登JCR工程/制造領域第一。《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)和科學技術的快速發(fā)展，極端制造的內(nèi)涵具有明顯的時代特征，即是說，制造精度、運行速度、環(huán)境溫度/壓力等極限值與時俱變、與時俱進。只有充分認識到極端制造的這種與時俱變、與時俱進的時代特征，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)制造當前，最大火箭直徑達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、最大的盾構機直徑超過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運載火箭盾構機航空母艦以上超大型裝備及構件的制造呼喚著極端制造技術。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床空氣磁浮主軸天問1號火星探測器超高速機床空氣磁浮主軸的轉速高達每分鐘20萬轉、真空磁浮列車最高速預計可達1000公里時速、超高空超音速飛行器速度可達8-10馬赫、太空探測器航行最快速度15千米/秒，每小時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、未來的量子計算機，其運行3秒的速度，相當于現(xiàn)在計算機運行上百億年。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，膠囊機器人尺寸為毫米尺度，中國科學家已經(jīng)成功制造出DNA納米機器人，今后還可能出現(xiàn)分子/原子機器人。膠囊機器人DNA納米機器人臺積電芯片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床切削工件的表面粗糙度達到1nm。超大規(guī)模集成電路光刻機物鏡面形精度達2nmPV。光刻機物鏡光刻機內(nèi)部結構超精密制造單點金剛石飛切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級燃氣輪機燃氣溫度高達1600℃，必須要研究耐更高溫的葉片材料和工藝；科學家發(fā)現(xiàn)，鋁合金在超低溫環(huán)境下成形時其延伸率明顯提高，超低溫加工成形可能是制造極大復雜構件的新方法。深海裝備水下10000米作業(yè)時，水壓力將達100MPa，裝備必須能具備抗高壓的結構和密封。蛟龍?zhí)枬撍魅細廨啓C葉片J級燃氣輪機7.2極端制造內(nèi)涵與特征-24-極高能量密度制造超強超短聚焦激光的功率密度將達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600MPa，射流速度大于4馬赫。超強超短聚焦激光實驗裝置水射流切割加工鑒于極端制造具有的時代特征，隨著制造業(yè)的國際競爭及高科技的迅速發(fā)展，一個時期可用的技術會很快過時，其技術可用性周期在不斷縮短。在極端制造領域，只有不失時機、不停頓地進行探索和深入研究，才能跟上時代世界科技發(fā)展的潮流，為國家的強盛做出貢獻。時代特征7.2極端制造主要技術領域-25-極大尺度制造極小尺度制造重型運載火箭光電子器件以100噸級載荷的重型運載火箭制造為例：火箭外徑為10米級、總長100米級，徑厚比高達1000，為整體高柔性和局部高剛性的復雜結構。微電子、光電子器件由微、納尺度結構承載與傳遞信息流，提高極小尺度結構制造品質是信息保真?zhèn)鬏數(shù)幕A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、量子制造技術的突破已迫在眉睫。原有常規(guī)制造所需的材料構件流變科學、精度與性能精準等技術不再適用。亟需通過極端制造進行原創(chuàng)突破，提出新的理論及技術。7.2極端制造主要技術領域-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領域：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今規(guī)模最大、結構最復雜且系統(tǒng)性極強的光學系統(tǒng)工程。離子束刻蝕結構原理金剛石刀具超精密切削集成電路基片加工7.2極端制造主要技術領域-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8~10馬赫，飛行時熱防護構件需承受極高溫（高達2300℃）需采用熱電轉換、微通道傳熱等新原理與新技術。熱電轉換技術微通道傳熱技術7.2極端制造主要技術領域-28-產(chǎn)生極端物理條件重大裝置的制造制造產(chǎn)生極端物理條件的設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、高能負載納米衍射元件等關鍵部件的設計和制造，以及需要超高精度、高光子能量光學檢測和高精度X射線波前傳感的技術，都是制造科學中尚未取得實質性突破的具有挑戰(zhàn)性的問題。對極端制造的需求都源于國家重大戰(zhàn)略目標的技術瓶頸；比較現(xiàn)有產(chǎn)品，具有尺度極端、環(huán)境極端、品質極端或性能極端的特征；現(xiàn)有制造技術難以滿足其極端制造目標。以上極端制造實例的共同特點X射線自由電子激光器7.3本章小結-29--30-前沿制造理念是現(xiàn)代制造領域中的熱點，它涵蓋了高性能制造、極端制造等。7.3本章小結高性能制造，即高性能裝備設計與制造，是指在裝備的設計制造全過程