中國兵器第二一○研究所 李曉紅 茍桂枝 李良琦

國外國防先進(jìn)制造技術(shù)2016年發(fā)展回顧

中國兵器第二一○研究所 李曉紅 茍桂枝 李良琦

國防先進(jìn)制造技術(shù)是武器裝備性能實(shí)現(xiàn)的重要手段和保證，不僅決定著先進(jìn)的設(shè)計(jì)能否變?yōu)榫哂型亓Φ奈淦餮b備，還關(guān)系著武器裝備研制生產(chǎn)周期、質(zhì)量和成本，對(duì)武器裝備形成戰(zhàn)斗力起著關(guān)鍵作用。2016年，世界各國積極推動(dòng)國防先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展，在先進(jìn)焊接、精密與微細(xì)加工、增材制造、生物制造、智能制造等領(lǐng)域取得系列重要進(jìn)展。

先進(jìn)焊接技術(shù)應(yīng)用不斷取得突破

先進(jìn)焊接技術(shù)是武器裝備制造中應(yīng)用最廣、最重要的連接技術(shù)，直接影響武器裝備的整體性能。2016年，焊接技術(shù)在艦船、裝甲車輛等裝備的研發(fā)和應(yīng)用中取得新突破。

(1)美海軍改進(jìn)艦船焊接工藝，縮短建造周期、降低焊接成本。

美國海軍金屬加工中心與紐波特紐斯造船廠合作，針對(duì)焊接變形等嚴(yán)重影響艦船建造周期和成本的制造工藝問題，改進(jìn)焊接工藝，包括：切除后板、將向下立焊預(yù)制加強(qiáng)筋至升降門橫截面、翹曲補(bǔ)償、火焰矯正，并在制造新的升降門時(shí)采用平衡焊接、管狀框架結(jié)構(gòu)等，可使CVN 79升降門（見圖1）按期交付，并節(jié)省約2500萬美元的材料和人力成本。

(2)美陸軍開發(fā)新型焊絲，有效解決裝甲車輛用高強(qiáng)鋼焊縫氫裂問題。

圖1 CVN 79 升降門

美國陸軍坦克機(jī)動(dòng)車輛研發(fā)工程中心與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)出一種無需預(yù)熱的新型焊絲，用于裝甲車輛高強(qiáng)鋼零部件的焊接，可有效解決氫致開裂問題。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在高通量同位素反應(yīng)堆的HB-2B光束上利用中子衍射對(duì)焊絲進(jìn)行了測(cè)試，后續(xù)還會(huì)對(duì)焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，如進(jìn)展順利，這一新焊絲可用于所有主要戰(zhàn)車。

(3)英國采用攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗高輻照、高溫環(huán)境的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)焊接。

英國焊接研究所采用攪拌摩擦焊技術(shù)成功對(duì)氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）鋼進(jìn)行焊接，這種ODS鋼采用傳統(tǒng)熔焊方式無法實(shí)現(xiàn)。攪拌摩擦焊在焊接過程中能夠使被焊材料不發(fā)生熔化，也不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)熔焊中氧化物顆粒上浮的現(xiàn)象，使得ODS鋼在焊后性能不會(huì)減弱。英國焊接研究所已焊接大量OSD鋼樣品，具有優(yōu)異抗高溫蠕變性能和抗輻照損傷性能，適于核反應(yīng)堆及發(fā)電設(shè)備等處于極端高溫環(huán)境的結(jié)構(gòu)件。

精密與微細(xì)加工工藝開發(fā)與優(yōu)化不斷

精密與微細(xì)加工技術(shù)是隨著武器裝備精密化、小型化而迅速發(fā)展的加工技術(shù)。2016年，精密與微細(xì)加工工藝技術(shù)開發(fā)與優(yōu)化不斷，在光學(xué)元件、電子薄膜制造領(lǐng)域應(yīng)用取得突破。

(1)光學(xué)元件超精加工技術(shù)在降本增效、提高加工精度等方面取得新突破。

美海軍開發(fā)出適用于潛艇光譜成像桅桿的新型藍(lán)寶石超半球形光窗加工工藝與裝備，新的加工工藝采用超聲加工和激光加工替代目前的研磨工藝，可使超半球形窗口的加工時(shí)間縮短一半，并通過提高加工過程的材料去除率、減少停機(jī)時(shí)間、采用在線檢測(cè)等技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)成本降低。英國阿斯頓大學(xué)和俄羅斯機(jī)械與光學(xué)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出一種制作光學(xué)諧振腔的新方法，制作的瓶狀光學(xué)微腔尺寸公差不超過0.017nm，比目前同類設(shè)備的制作精度提高100倍，這種制造精度的飛躍，可以顯著提高未來光學(xué)器件的效率，為實(shí)現(xiàn)長期信息存儲(chǔ)和研制量子計(jì)算機(jī)打下基礎(chǔ)。

(2)原子層沉積工藝開辟微電子薄膜制備新路徑。

9月，美海軍研究實(shí)驗(yàn)室與美國科羅拉多大學(xué)、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院聯(lián)合開發(fā)出新的電子增強(qiáng)原子層沉積工藝，在傳統(tǒng)原子層沉積工藝的基礎(chǔ)上，通過控制原子層沉積循環(huán)過程中的電子能量，可在室溫下合成超薄材料，開辟了微電子薄膜制備新途徑。8月，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)成功利用原子層沉積工藝，在單原子層精確控制材料層生長，一次性在單原子層上構(gòu)建出電子電路，簡化了電路制造工藝，提高了電路性能，已利用工藝技術(shù)制造出高度穩(wěn)定的薄膜晶體管，在高性能透明電路領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

增材制造技術(shù)在國防領(lǐng)域應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大

2016年，增材制造技術(shù)繼續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，在航空、航天、兵器等國防領(lǐng)域取得多項(xiàng)突破性新進(jìn)展，并且嘗試將該技術(shù)用于核電站及核武器部件生產(chǎn)。

(1)單臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造零部件數(shù)量再創(chuàng)新高。

11月，通用電氣公司成功對(duì)一臺(tái)35%零部件采用增材制造的先進(jìn)渦槳（ATP）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過將855個(gè)減材制造零部件集成為12個(gè)增材制造零部件，使發(fā)動(dòng)機(jī)減重5%，特定燃油消耗減少1%。與LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)只有一個(gè)增材制造燃料噴嘴相比，ATP發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的增材制造零部件數(shù)量大幅增多，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)重大突破。

(2)太空增材制造技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

3月，NASA在國際空間站上安裝了首臺(tái)實(shí)用型“增材制造設(shè)備”（圖2），開始為國際空間站制造實(shí)用物品，為地面商業(yè)用戶提供制造服務(wù)。太空增材制造技術(shù)能夠在太空快速制造出在軌作業(yè)所需的零部件和工具，實(shí)現(xiàn)“即需即造”，解決未來載人深空探測(cè)任務(wù)按需和應(yīng)急貨物原位制造和供應(yīng)問題。

圖2 增材制造設(shè)備

(3)彈藥增材制造技術(shù)研發(fā)活躍。

美國防威脅降低局通過2016年小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃研發(fā)適用于傳統(tǒng)（高能炸藥）和新興（活性結(jié)構(gòu)材料）含能材料系統(tǒng)的增材制造技術(shù)，旨在增強(qiáng)常規(guī)高爆彈藥的效能；美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)于9月成功對(duì)增材制造彈藥結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試；俄羅斯先期研究基金會(huì)對(duì)增材制造小口徑彈藥進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示其性能與傳統(tǒng)工藝制造的彈藥性能基本一致。采用增材制造技術(shù)，可針對(duì)特定目標(biāo)所需的具體毀傷效果來定制彈藥或戰(zhàn)斗部的爆炸或破片方式、精確控制毀傷威力，甚至可以考慮對(duì)環(huán)境的影響，成為兵器領(lǐng)域新的研發(fā)熱點(diǎn)，未來發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

(4)增材制造技術(shù)開始在核領(lǐng)域獲得研究應(yīng)用。

6月，美國能源部宣稱正在研究采用增材制造技術(shù)為核電站制造可更換的部件樣件和一系列核測(cè)試樣品等，并對(duì)增材制造樣件進(jìn)行輻照測(cè)試，以確定增材制造技術(shù)在燃料部件制造、維修服務(wù)和新工廠應(yīng)用的可能性；Rosatom公司在2016國際工業(yè)貿(mào)易展上發(fā)布首臺(tái)俄羅斯本土生產(chǎn)的金屬增材制造設(shè)備TSNITMASH，配備一個(gè)1000W的激光器，能夠打印鈦、銅、鋁或鐵等金屬粉末，該設(shè)備將首先引入需要大量復(fù)雜金屬零部件的核電領(lǐng)域。

生物制造成為新的研究熱點(diǎn)方向

生物制造技術(shù)是將生命科學(xué)、材料科學(xué)以及生物技術(shù)融入制造學(xué)科中而產(chǎn)生的一門新興科學(xué)技術(shù)。2016年，美、歐等國多個(gè)計(jì)劃、報(bào)告都將生物制造列為發(fā)展重點(diǎn)，凸顯生物制造的重要戰(zhàn)略地位；仿生制造、生物3D打印等生物制造技術(shù)也取得諸多研究進(jìn)展。

(1)生物制造受到美歐等國高度重視，列入制造業(yè)規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展。

12月，美國防部牽頭組建的“先進(jìn)組織生物制造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)正式成立，專注人體組織生物制造，早期項(xiàng)目重點(diǎn)包括高通量培養(yǎng)技術(shù)、生物3D打印、生物反應(yīng)器、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)/感知及檢測(cè)技術(shù)等方向。4月，美國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)《先進(jìn)制造：聯(lián)邦政府優(yōu)先技術(shù)領(lǐng)域速覽》報(bào)告，提出5個(gè)應(yīng)優(yōu)先考慮的新興領(lǐng)域，其中3個(gè)屬于生物制造領(lǐng)域，分別是：推動(dòng)生物制造的工程生物、再生醫(yī)學(xué)的生物制造、先進(jìn)生物制品制造。2015年10月，歐盟委員會(huì)發(fā)布“地平線2020”計(jì)劃2016～2017年資助方案，其中“納米技術(shù)、先進(jìn)材料、生物技術(shù)、先進(jìn)制造與加工”領(lǐng)域也規(guī)劃了生物制造相關(guān)研究重點(diǎn)。這些戰(zhàn)略舉措，凸顯生物制造重要戰(zhàn)略地位，生物制造即將邁入快速發(fā)展期。

圖3 3D打印出的集成有傳感器的心臟芯片

(2)生物3D打印技術(shù)研究活躍。

11月，哈佛大學(xué)采用3D打印技術(shù)制作出首個(gè)帶有集成傳感器的心臟芯片（圖3），可以在一次或一段時(shí)間內(nèi)記錄多個(gè)器官的數(shù)據(jù)，重現(xiàn)生物器官的微觀結(jié)構(gòu)和功能；10月，美國西北大學(xué)通過“投影微立體光刻”3D打印技術(shù)，利用先前制備的一種聚合物，開發(fā)出能夠根據(jù)患者身體情況進(jìn)行定制的可生物降解彈性支架；“美國制造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)也正在加強(qiáng)3D打印活細(xì)胞技術(shù)研究，旨在通過綜合性修復(fù)和更換細(xì)胞及組織來制造新的皮膚或關(guān)鍵器官，以挽救戰(zhàn)場(chǎng)傷員生命。生物3D打印技術(shù)的不斷突破，將使得3D打印器官和組織的前景更加清晰，最終取代人體器官移植，推動(dòng)醫(yī)療領(lǐng)域的變革。

(3)通過合成生物技術(shù)制造的材料結(jié)構(gòu)顯示出卓越性能優(yōu)勢(shì)。

11月，美國Spidey Tek公司通過基因工程的突破，利用帶有蜘蛛基因的微生物制造出高強(qiáng)蜘蛛絲，其強(qiáng)度可達(dá)碳纖維的100倍，與常規(guī)3D打印材料混合使用，可顯著提高3D打印零部件機(jī)械性能，該公司已經(jīng)3D打印出一架使用該材料的無人機(jī)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、載重能力大等性能優(yōu)勢(shì)；8月，美國馬薩諸塞大學(xué)在美海軍資助下，通過對(duì)一種常見土壤細(xì)菌進(jìn)行基因改造，創(chuàng)造出具有導(dǎo)電性的合成納米線，其導(dǎo)電性比天然微生物納米線導(dǎo)電性高2000倍，直徑僅為1.5納米，在用作傳感器、晶體管、電容器的部件方面，具有巨大潛在應(yīng)用價(jià)值。

智能制造發(fā)展快速

智能制造已經(jīng)成為全球制造業(yè)發(fā)展的共識(shí)。2016年，智能制造發(fā)展從戰(zhàn)略實(shí)施、企業(yè)積極布局、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用取得突破性進(jìn)展，呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展態(tài)勢(shì)，推動(dòng)智能制造快速發(fā)展。

（1）工業(yè)強(qiáng)國穩(wěn)步推進(jìn)實(shí)施智能制造戰(zhàn)略。

美國通過“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃聚焦智能制造發(fā)展，2016年6月，美國防部牽頭組建“制造環(huán)境中的機(jī)器人”制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，至此已建或在建4家以智能制造關(guān)鍵技術(shù)為主攻方向的制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，其它3個(gè)分別是“增材制造”“數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)”“智能制造”，這些創(chuàng)新機(jī)構(gòu)均由國防部和能源部牽頭組建，表明美國國防工業(yè)正引領(lǐng)美國國家智能制造發(fā)展。德國穩(wěn)步推進(jìn)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，工業(yè)4.0平臺(tái)2015年11月發(fā)布的“工業(yè)4.0平臺(tái)地圖”，目前德國各地已有200多個(gè)工業(yè)4.0應(yīng)用實(shí)例和試點(diǎn)，例如：舒勒集團(tuán)啟動(dòng)“iCompisite 4.0”項(xiàng)目，旨在通過將3D打印與樹脂注射成型技術(shù)相結(jié)合，以及構(gòu)建具有智能調(diào)節(jié)功能的網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)性、系列化生產(chǎn)。

圖4 通用電氣公司智能工廠建設(shè)模式示意圖

（2）通用電氣公司智能工廠短期內(nèi)從概念走向現(xiàn)實(shí)，在軍工企業(yè)很具代表性。

通用電氣公司2014年提出“卓越工廠”建設(shè)模式，依據(jù)該建設(shè)模式，2016年4月，該公司在美國建成第3家智能工廠，8月開始在加拿大啟動(dòng)建設(shè)第4家，未來還建十余家。這些智能工廠可實(shí)現(xiàn)高度柔性生產(chǎn)，根據(jù)不同地區(qū)需求，在同一廠房內(nèi)，用相同生產(chǎn)線制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等不同類型產(chǎn)品。2015年底，通用電氣公司還根據(jù)智能工廠建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，推出名為“卓越制造”的智能工廠軟件整體解決方案。預(yù)計(jì)該方案實(shí)施后，可使突發(fā)停工期縮短10%～20%，庫存降低20%，不同產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)效率提升20%。見圖4。

（3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備開始進(jìn)行商業(yè)化部署實(shí)施，提升飛機(jī)裝配效率。

圖5 SART增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備下轉(zhuǎn)P10頁