国外国防先进制造技术2016年发展回顾

中国兵器第二一○研究所 李晓红 苟桂枝 李良琦

国外国防先进制造技术2016年发展回顾

中国兵器第二一○研究所 李晓红 苟桂枝 李良琦

国防先进制造技术是武器装备性能实现的重要手段和保证，不仅决定着先进的设计能否变为具有威慑力的武器装备，还关系着武器装备研制生产周期、质量和成本，对武器装备形成战斗力起着关键作用。2016年，世界各国积极推动国防先进制造技术发展，在先进焊接、精密与微细加工、增材制造、生物制造、智能制造等领域取得系列重要进展。

先进焊接技术应用不断取得突破

先进焊接技术是武器装备制造中应用最广、最重要的连接技术，直接影响武器装备的整体性能。2016年，焊接技术在舰船、装甲车辆等装备的研发和应用中取得新突破。

(1)美海军改进舰船焊接工艺，缩短建造周期、降低焊接成本。

美国海军金属加工中心与纽波特纽斯造船厂合作，针对焊接变形等严重影响舰船建造周期和成本的制造工艺问题，改进焊接工艺，包括：切除后板、将向下立焊预制加强筋至升降门横截面、翘曲补偿、火焰矫正，并在制造新的升降门时采用平衡焊接、管状框架结构等，可使CVN 79升降门（见图1）按期交付，并节省约2500万美元的材料和人力成本。

(2)美陆军开发新型焊丝，有效解决装甲车辆用高强钢焊缝氢裂问题。

图1 CVN 79 升降门

美国陆军坦克机动车辆研发工程中心与橡树岭国家实验室合作，开发出一种无需预热的新型焊丝，用于装甲车辆高强钢零部件的焊接，可有效解决氢致开裂问题。橡树岭国家实验室已经在高通量同位素反应堆的HB-2B光束上利用中子衍射对焊丝进行了测试，后续还会对焊缝进行残余应力测量，如进展顺利，这一新焊丝可用于所有主要战车。

(3)英国采用搅拌摩擦焊技术实现抗高辐照、高温环境的高强钢结构焊接。

英国焊接研究所采用搅拌摩擦焊技术成功对氧化物弥散强化（ODS）钢进行焊接，这种ODS钢采用传统熔焊方式无法实现。搅拌摩擦焊在焊接过程中能够使被焊材料不发生熔化，也不会出现传统熔焊中氧化物颗粒上浮的现象，使得ODS钢在焊后性能不会减弱。英国焊接研究所已焊接大量OSD钢样品，具有优异抗高温蠕变性能和抗辐照损伤性能，适于核反应堆及发电设备等处于极端高温环境的结构件。

精密与微细加工工艺开发与优化不断

精密与微细加工技术是随着武器装备精密化、小型化而迅速发展的加工技术。2016年，精密与微细加工工艺技术开发与优化不断，在光学元件、电子薄膜制造领域应用取得突破。

(1)光学元件超精加工技术在降本增效、提高加工精度等方面取得新突破。

美海军开发出适用于潜艇光谱成像桅杆的新型蓝宝石超半球形光窗加工工艺与装备，新的加工工艺采用超声加工和激光加工替代目前的研磨工艺，可使超半球形窗口的加工时间缩短一半，并通过提高加工过程的材料去除率、减少停机时间、采用在线检测等技术途径实现成本降低。英国阿斯顿大学和俄罗斯机械与光学大学联合开发出一种制作光学谐振腔的新方法，制作的瓶状光学微腔尺寸公差不超过0.017nm，比目前同类设备的制作精度提高100倍，这种制造精度的飞跃，可以显著提高未来光学器件的效率，为实现长期信息存储和研制量子计算机打下基础。

(2)原子层沉积工艺开辟微电子薄膜制备新路径。

9月，美海军研究实验室与美国科罗拉多大学、国家标准与技术研究院联合开发出新的电子增强原子层沉积工艺，在传统原子层沉积工艺的基础上，通过控制原子层沉积循环过程中的电子能量，可在室温下合成超薄材料，开辟了微电子薄膜制备新途径。8月，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学成功利用原子层沉积工艺，在单原子层精确控制材料层生长，一次性在单原子层上构建出电子电路，简化了电路制造工艺，提高了电路性能，已利用工艺技术制造出高度稳定的薄膜晶体管，在高性能透明电路领域应用前景广泛。

增材制造技术在国防领域应用范围迅速扩大

2016年，增材制造技术继续呈现持续快速发展态势，在航空、航天、兵器等国防领域取得多项突破性新进展，并且尝试将该技术用于核电站及核武器部件生产。

(1)单台航空发动机增材制造零部件数量再创新高。

11月，通用电气公司成功对一台35%零部件采用增材制造的先进涡桨（ATP）发动机进行测试，通过将855个减材制造零部件集成为12个增材制造零部件，使发动机减重5%，特定燃油消耗减少1%。与LEAP发动机只有一个增材制造燃料喷嘴相比，ATP发动机所使用的增材制造零部件数量大幅增多，是航空发动机领域应用的一个重大突破。

(2)太空增材制造技术首次实现商业应用。

3月，NASA在国际空间站上安装了首台实用型“增材制造设备”（图2），开始为国际空间站制造实用物品，为地面商业用户提供制造服务。太空增材制造技术能够在太空快速制造出在轨作业所需的零部件和工具，实现“即需即造”，解决未来载人深空探测任务按需和应急货物原位制造和供应问题。

图2 增材制造设备

(3)弹药增材制造技术研发活跃。

美国防威胁降低局通过2016年小企业创新研究计划研发适用于传统（高能炸药）和新兴（活性结构材料）含能材料系统的增材制造技术，旨在增强常规高爆弹药的效能；美国海军陆战队于9月成功对增材制造弹药结构件进行测试；俄罗斯先期研究基金会对增材制造小口径弹药进行测试，结果显示其性能与传统工艺制造的弹药性能基本一致。采用增材制造技术，可针对特定目标所需的具体毁伤效果来定制弹药或战斗部的爆炸或破片方式、精确控制毁伤威力，甚至可以考虑对环境的影响，成为兵器领域新的研发热点，未来发展潜力很大。

(4)增材制造技术开始在核领域获得研究应用。

6月，美国能源部宣称正在研究采用增材制造技术为核电站制造可更换的部件样件和一系列核测试样品等，并对增材制造样件进行辐照测试，以确定增材制造技术在燃料部件制造、维修服务和新工厂应用的可能性；Rosatom公司在2016国际工业贸易展上发布首台俄罗斯本土生产的金属增材制造设备TSNITMASH，配备一个1000W的激光器，能够打印钛、铜、铝或铁等金属粉末，该设备将首先引入需要大量复杂金属零部件的核电领域。

生物制造成为新的研究热点方向

生物制造技术是将生命科学、材料科学以及生物技术融入制造学科中而产生的一门新兴科学技术。2016年，美、欧等国多个计划、报告都将生物制造列为发展重点，凸显生物制造的重要战略地位；仿生制造、生物3D打印等生物制造技术也取得诸多研究进展。

(1)生物制造受到美欧等国高度重视，列入制造业规划重点发展。

12月，美国防部牵头组建的“先进组织生物制造”创新机构正式成立，专注人体组织生物制造，早期项目重点包括高通量培养技术、生物3D打印、生物反应器、实时监测/感知及检测技术等方向。4月，美国家科学技术委员会《先进制造：联邦政府优先技术领域速览》报告，提出5个应优先考虑的新兴领域，其中3个属于生物制造领域，分别是：推动生物制造的工程生物、再生医学的生物制造、先进生物制品制造。2015年10月，欧盟委员会发布“地平线2020”计划2016～2017年资助方案，其中“纳米技术、先进材料、生物技术、先进制造与加工”领域也规划了生物制造相关研究重点。这些战略举措，凸显生物制造重要战略地位，生物制造即将迈入快速发展期。

图3 3D打印出的集成有传感器的心脏芯片

(2)生物3D打印技术研究活跃。

11月，哈佛大学采用3D打印技术制作出首个带有集成传感器的心脏芯片（图3），可以在一次或一段时间内记录多个器官的数据，重现生物器官的微观结构和功能；10月，美国西北大学通过“投影微立体光刻”3D打印技术，利用先前制备的一种聚合物，开发出能够根据患者身体情况进行定制的可生物降解弹性支架；“美国制造”创新机构也正在加强3D打印活细胞技术研究，旨在通过综合性修复和更换细胞及组织来制造新的皮肤或关键器官，以挽救战场伤员生命。生物3D打印技术的不断突破，将使得3D打印器官和组织的前景更加清晰，最终取代人体器官移植，推动医疗领域的变革。

(3)通过合成生物技术制造的材料结构显示出卓越性能优势。

11月，美国Spidey Tek公司通过基因工程的突破，利用带有蜘蛛基因的微生物制造出高强蜘蛛丝，其强度可达碳纤维的100倍，与常规3D打印材料混合使用，可显著提高3D打印零部件机械性能，该公司已经3D打印出一架使用该材料的无人机，具有质量轻、强度高、载重能力大等性能优势；8月，美国马萨诸塞大学在美海军资助下，通过对一种常见土壤细菌进行基因改造，创造出具有导电性的合成纳米线，其导电性比天然微生物纳米线导电性高2000倍，直径仅为1.5纳米，在用作传感器、晶体管、电容器的部件方面，具有巨大潜在应用价值。

智能制造发展快速

智能制造已经成为全球制造业发展的共识。2016年，智能制造发展从战略实施、企业积极布局、关键技术应用取得突破性进展，呈现出多样化发展态势，推动智能制造快速发展。

（1）工业强国稳步推进实施智能制造战略。

美国通过“国家制造创新网络”计划聚焦智能制造发展，2016年6月，美国防部牵头组建“制造环境中的机器人”制造创新机构，至此已建或在建4家以智能制造关键技术为主攻方向的制造创新机构，其它3个分别是“增材制造”“数字化制造与设计”“智能制造”，这些创新机构均由国防部和能源部牵头组建，表明美国国防工业正引领美国国家智能制造发展。德国稳步推进“工业4.0”战略，工业4.0平台2015年11月发布的“工业4.0平台地图”，目前德国各地已有200多个工业4.0应用实例和试点，例如：舒勒集团启动“iCompisite 4.0”项目，旨在通过将3D打印与树脂注射成型技术相结合，以及构建具有智能调节功能的网络生产系统，实现纤维增强复合材料的经济性、系列化生产。

图4 通用电气公司智能工厂建设模式示意图

（2）通用电气公司智能工厂短期内从概念走向现实，在军工企业很具代表性。

通用电气公司2014年提出“卓越工厂”建设模式，依据该建设模式，2016年4月，该公司在美国建成第3家智能工厂，8月开始在加拿大启动建设第4家，未来还建十余家。这些智能工厂可实现高度柔性生产，根据不同地区需求，在同一厂房内，用相同生产线制造航空发动机、燃气轮机、风力发电机等不同类型产品。2015年底，通用电气公司还根据智能工厂建设经验，推出名为“卓越制造”的智能工厂软件整体解决方案。预计该方案实施后，可使突发停工期缩短10%～20%，库存降低20%，不同产品转产效率提升20%。见图4。

（3）增强现实设备开始进行商业化部署实施，提升飞机装配效率。

图5 SART增强现实设备下转P10页