高性能制造

随着应用空间的不断拓展和服役性能的不断提升,航空航天、能源动力、信息电子等领域对高端装备的需求迫切。这些高端装备以承载、传导、换能、隐身等性能的精准保证为主要制造目标,不仅性能要求高,且往往结构复杂、材料难加工、表面完整性或精度要求极高,制造难度极大。高性能制造是应对上述挑战,突破高端装备制造瓶颈的必然选择。从高端装备及其零件/部件/构件/器件(简称零件)的特点、制造要求和制造技术的现状出发,阐明了高性能制造的内涵、所需要探究的基础问题以及设计与制造环节的定量关联关系,建立了高性能制造的总体框架和模型表达形式,分析了高性能制造应注意的要素和应遵循的规律,给出了高性能制造的实现途径、关键技术和两个应用实例,并指出高性能制造是以性能为第一目标,设计、制造、使役等多参量关联关系建模为核心的科学、精准和最适宜的制造,也是数字化和可计算的制造,亦是以性能的精准保证为目标的性能与几何结构一体化制造。     

激光金属增材制造实现“多线并行”

正南京航空航天大学材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室教授顾冬冬团队,提出材料-结构-性能一体化激光金属增材制造的整体性概念。高性能金属构件是航空、航天、交通、能源等现代工业的基石,且高端装备的服役性能很大程度上取决于构件的高性能。激光增材制造(3D打印)技术可满足现代工业对难加工金属构件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。     

大口径传输反射镜的研究进展

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求,探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400mm口径K9反射类坯片精密退火工艺,形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜,并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后,综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400mm口径传输反射镜在1053nm处以45°入射时,其表面粗糙度优于99.8%,面形PV值小于λ/3(λ=1 053nm),损伤阈值大于30J/cm2(5ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置,有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。     

微束XRF系统中X射线聚焦光学元件研究

高性能X射线聚焦光学元件是实现亚微米分辨率微束X射线荧光分析系统(XRF)的关键器件。给出一种新型的微束XRF系统设计结构,介绍两种典型的X射线聚焦光学元件:X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的结构与光学参数。数值计算比较了X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的光学聚焦性能。分析结果体现了X射线聚焦组合透镜作为聚焦光学元件在焦斑大小、透过率、强度增益和检测范围等方面的优势。     

极紫外及X射线波段超光滑反射镜的超精密加工与检测

极紫外、X射线为微观物质认识、宏观空间探测提供了高精度的观测手段,但这类观测的实现需要大量高精度光学反射元件的支撑。由于极紫外、X射线在光学表面更易发生散射,其光学反射镜基底的精度需求和制作技术也明显区别于长波元件。近年来,同济大学精密光学工程技术研究所建立了极紫外、X射线反射元件基底的超精密加工与检测平台,研发了超光滑非球面的离子束修形技术,提出了基于泽尼克多项式的随机离轴旋转绝对检测方法,形成了极紫外、X射线光学用反射镜基底的高精度全流程研制技术,并将该技术成功地应用于国内和国际短波光学大科学装置中。本文综述了本课题组在极紫外、X射线用反射镜制作领域中的研究进展。     

高端制造装备关键技术的科学问题

分析了高端制造装备的国家重大需求和面临的发展机遇,讨论了现阶段高端数控机床和极大规模集成电路制造装备研发的主要任务,通过分析这两类高端制造装备的研究现状与发展趋势,总结出了高性能运动控制、高速高精度驱动、装备与工艺动态交互作用、精密加工的环境控制四方面的关键科学问题。     

超精密测量技术冲破“封锁线”

正南极天文望远镜、空间引力波探测装置、极大规模集成电路制造装备要依靠超高精、光刻机度的测量…仪…这一系列关键装备的加工制造器对大量光学元件的各项参数进,都需行测量。以往,超精密测量技术受到国外封锁,成为制约高端装备制造发展的瓶颈问题近日工。,由上海理大学光电学院庄松林院士领衔的韩森教授团队与苏州慧利仪器有限责任公司共建联合实验室所研发的国产化高端产品--数字化激光干涉仪进展顺利。     

高性能精密制造

高性能制造是高端装备和产品的关键零部件以性能精准保证为目标的几何和性能一体化制造,体现了由几何尺寸及公差要求为主的传统制造向高性能要求为主的先进制造的跃升。从制造的现状、需求和发展趋势出发,阐明了高性能零件的内涵、高性能制造的特点、面临的问题及其分类体系,并结合实例给予了深入分析和说明,为高端装备中一大批关键零部件的精密制造难题提供了可行的解决策略和途径。     

高性能制造：设计与制造的协同机制

高性能制造,是由以几何精度为主的制造上升到以产品性能的精准保证为目标的制造,其作为推动我国装备制造业升级的引擎,以及引领传统制造理念提升的旗帜,对国家装备产业的发展具有十分重要的意义。高性能制造理论指出,传统的装备制造流程形成了设计、制造、服役等严格的上下游关系,一定程度上了推动了多任务协作能力,提高了装备制造的效率。然而,不容忽视的事实是,这种设计、制造的单向串行模式人为割裂了设计环节与制造环节的耦合作用,在提高制造效率的同时,亦不可避免地制约了高端装备性能的进一步提升。作为高性能制造理论的重要组成部分,针对上述设计、制造之间的耦合作用,展开了进一步的讨论。首次采用Karush-Kuhn-Tucker最优性条件,从数学角度定量定式的揭示了传统设计制造“不协同”的根源所在,并针对这些不足,给出串行、并行和循环模式的高性能制造解决方案和求解方法。为打破我国高端装备/零部件的高性能制造瓶颈,进一步推动我国高端装备高性能制造的发展提供了理论与技术参考。     

单体大尺寸高精度全息光栅制造技术综述

单体大尺寸高精度全息平面光栅是高端浸没式光刻机、惯性约束核聚变等高端装备和重大工程的核心器件,制造难度极高。本文综述了单体大尺寸高精度全息平面光栅的主要制造技术,介绍了基于单次大尺寸干涉光刻技术和干涉光刻步进拼接技术的单体大尺寸高精度全息平面光栅制造技术的研究进展以及存在的问题,并着重对基于扫描干涉光刻技术的单体大尺寸高精度全息光栅制造技术的研究进展进行论述。最后,总结了大尺寸高精度平面光栅制造技术——扫描干涉光刻技术的发展趋势。     

熔石英光学元件加工亚表面缺陷检测及抑制技术研究进展

熔石英材料因具有硬度大、热膨胀系数低、透射光谱范围广等良好的机械性能和热学、光学特性,广泛应用于国防、航天等领域中关键光学元件的制造。作为一种典型的硬脆材料,在传统的研磨抛光加工中,不可避免地会引入亚表面层的微裂纹、划痕等结构性缺陷,这些缺陷会严重降低熔石英元件在高功率激光使用环境下的激光损伤阈值,并影响其在高冲击载荷使用环境下的抗断裂损伤能力。从硬脆材料的磨削机理出发,对熔石英光学元件亚表面缺陷的产生机制、亚表面缺陷的检测技术、熔石英亚表面缺陷抑制技术的研究现状进行综述,重点对比针对加工亚表面缺陷的有损检测和无损检测技术的优缺点,探讨多种先进表面加工技术在抑制熔石英光学元件亚表面缺陷中的应用。希望为优化大口径、高精度、高质量熔石英光学元件加工工艺,并提升其在高功率激光、高冲击载荷等极端服役环境下使用性能、延缓其使用寿命提供有益参考。     

微晶材质自由曲面反射镜精密超声铣磨加工技术

自由曲面光学元件与球面和非球面光学元件相比能够提供更高的光学设计自由度,应用于成像光学系统有利于简化系统结构和改善系统质量,在新一代空间光学遥感领域具有广阔的应用前景。为了满足离轴反射式自由曲面空间光学遥感系统的快速、高精度研制需求,本文瞄准微晶材质、复杂连续曲面类自由曲面反射镜超声铣磨加工表面粗糙度和亚表面质量的提升目标,开展了主轴转速、切削深度、进给量等主要工艺参数的优化实验和研究,完成了300mm口径自由曲面反射镜的建模分析和超声铣磨加工,最终铣磨加工表面的面形精度达8.89μm PV,亚表面损伤层深度低于18μm,实现了自由曲面光学反射镜的高精度、低损伤铣磨加工,能够有效降低后续研抛加工的材料去除总量,缩短整个加工周期。     

“液压元件与系统轻量化设计制造新方法”基础理论与关键技术

高端移动装备重量严重制约着其续航能力、机动性能和承载能力,对其减重不仅有利于提高装备性能,还可实现节能减排,有利于加速碳达峰和碳中和进程。液压系统作为高端移动装备的重要组成部分,占有非常大的功率和重量,是高端移动装备实现轻量化的关键。从液压系统级介绍轻量化设计理论、小型化液压油源和一体化电液执行器的研究进展及成果,从液压元件级介绍碳纤维液压缸、非金属液压油箱和集成单元增材制造的制造工艺和方法的研究进展及成果,并简要介绍其中的基础理论与关键技术,总结液压元件与系统轻量化发展的研究热点及重要解决途径。     

同步辐射与XUV光学

同步辐射的研究已大大促进了同步辐射光学领域中各个方面的发展,这些方面包括光学系统的设计理论、材料科学、光学仪器以及光学元件的测试和制造技术等。描述同步辐射和其光束线的概念,并介绍同步辐射光学相关的课题。     

开拓塑性成形制造极限共性关键理论及其实践——解读Deformation-based Processing of Materials: Behavior,Performance, Modeling,and Control

随着航空、航天、能源、汽车、电子产品和生物医学工程等领域的持续发展,迫切需要其高端装备关键构件具有高性能、轻量化和高功效等特性,同时要求缩短产品设计开发周期、降低生产成本和实现绿色、智能制造。基于变形特有的体积转移和组织调控优势的材料加工技术即塑性成形方法,具有生产效率高、生产成本低、材料利用率高、产品性能好、服役性能强和产品技术附加值高等优点,成为先进制造领域的基础支撑技术,也是成形制造高端装备关键构件不可替代关键生产工艺。Deformationbased Processing of Materials:Behavior,Performance,Modeling,and Control一书围绕材料变形中宏微观成形缺陷预测和控制这一制约成形精度和极限的关键共性问题,从非均匀变形、损伤断裂、压缩失稳、回弹、表面粗化、流动缺陷、微结构异常缺陷7个方面,系统阐述了材料不均匀变形的现象和机理、材料和成形过程多尺度建模仿真优化,并通过案例阐述了新提出的理论和技术在实际中的应用情况,最后讨论了基于变形的材料加工技术的发展趋势及面临的挑战。     

远海油气转驳装备的密封研究进展

远海油气转驳技术是我国海洋油气田开采的关键技术之一，但面对极端恶劣海况，超深海平台及核心零部件高可靠性和超长寿命服役仍是世界技术难题，高性能长寿命密封系统与元件是行业的“卡脖子”技术难题，需要从相关基础理论研究、技术开发、工程应用等方面实现全面突破。从油气转驳输送技术、高压密封劣化特性、极端环境密封失效规律研究等3个方面，概述了远海油气转驳装备的高性能密封技术研究进展，并对深远海转驳装备的密封理论、技术研究趋势作出展望。     

中子薄膜器件与光学系统的研究进展

中子散射和衍射是现代科学检测技术的重要领域之一,中子谱仪是实现中子检测的核心装置。中子薄膜器件及其光学系统可以实现中子束传输、聚焦、准直、极化等状态的调制,是构成中子导管、准直器、弯管、极化器、翻转器等中子光学装置的核心器件,可以提升中子传输效率,简化中子光学仪器结构,是中子谱仪功能实现和性能提升的关键。同济大学精密光学工程技术研究所,面向我国各类中子源应用谱仪开发的需求,聚焦中子薄膜器件关键制作技术创新,解决了中子超镜和极化中子薄膜翻转元件的制作问题;以高端薄膜器件支撑了高性能中子光学系统的研制,成功研制出中子导管部件、基于超镜的多层嵌套式中子聚焦系统、高通量高空间分辨率的中子多通道KB聚焦系统,成功应用于国内大型和小型中子源的谱仪装置,支撑了我国小角散射、粉末衍射、自旋回波等中子谱仪的自主研发和升级改造。     

先进光学制造执行系统研究与开发

先进光学制造技术是为适应现代高科技发展的需要而发展起来的超精密加工技术,针对大口径、高精度光学元件制造过程中定量化水平低、成品率不高、重复性和一致性较差等问题,应用业务驱动和RUP方法,分析、研究了先进光学制造工艺流程、制造执行系统需求、体系架构和关键技术,提出了以大口径、高精密元件为核心,工艺流程驱动的先进光学制造执行系统,应用效果表明,实现了精密光学元件制造工艺的动态编制、制造信息的集成,提高了先进光学制造的信息化程度和效率.     

国家重点研发计划——流体传动与控制篇

正项目五:高性能微小型液压元件关键技术研究及应用项目的背景:高端液压元件是我国装备制造业发展的锁喉之痛。航天火箭推力矢量控制系统、航空飞机作动系统及发动机燃油调节器、油气开采智能钻完井等高端装备,追求强振动、强冲击、强热等极端环境与微小空间内驱动系统的高功率密度、高动态、高可靠等极限指标,推动液压元件向微小型方向发展,泵排量≤5 m L/r,阀流量≤5 L/min。     

航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战

薄壁曲面构件是广泛应用于航空航天等高端运载装备的关键构件。大型薄壁曲面构件成形制造技术是新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等尖端装备向大型化、轻量化、高性能化、长寿命和高可靠性方向发展的迫切需要。然而,这类构件的壁薄、直径等尺寸大、曲率变化、大小尺寸极端结合,且材料轻质高强、性能要求高等,使其制造难度大。首先概述了航天领域大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历程与类型,据此针对不同类型的大型薄壁回转曲面构件制造技术综述了其应用与研究进展,然后对比分析了各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力,探讨了大型薄壁回转曲面构件制造技术的未来发展趋势与面临的挑战。