2021年度国外国防制造技术二十大动向

2022-01-12 09:49:10 江苏省企业技术改造协会 44

围绕国外先进制造技术领域的最新发展趋势和研究热点,跟踪和积累了大量的信息化研究成果。通过系统分析、筛选和研究,筛选出20个对国防科技发展和武器装备研制生产有重要影响的技术动向,供制造技术领域相关人员参考。

20种趋势

1、 复杂武器系统设计的机器学习模型计算速度提高10万倍

2019年2月,应用动力国际有限公司宣布,由空军研究实验室资助,开发实时优化的机器学习模型库,成功用于表征飞机、船舶、涡轮发动机等复杂武器系统的物理特性,包括结构力学,热力学和空气动力学。经过训练的机器学习模型可以用来评价由传统方法和工具生成的复杂系统的设计,计算速度比紧耦合有限元流体动力学模型快10万倍。机器学习模型库可以在配备大型NVIDIA图形处理器的Linux服务器上运行,并且可以配置计算能力。

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2、 美国海军使用数字孪生技术验证林肯号航空母舰

2019年10月,美国海军信息战系统司令部宣布为“林肯”号航空母舰建立首个名为“数字林肯”的数字孪生体。该模型采用基于该模型的系统工程方法,将开发过程由“设计-建造-测试”改为“模型分析-建造”。这种转换响应了国防部的数字转换策略,提高了系统的可靠性和网络安全性。在“数字林肯”战斗机的帮助下,美军对计划于2020年交付的5个信息作战系统的性能进行了虚拟测试,并计划将数字战斗机技术应用于艾森豪威尔航空母舰。

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3、俄罗斯航空工业稳步推进数字工厂建设

2019年,俄罗斯航空工业在政府计划牵引和工业项目推动下,以数字化技术为重要抓手促进航空制造业发展。10月,俄罗斯按照“数字化技术”国家计划的部署,针对区块链、工业物联网、量子等7项技术制定2019~2024年发展路线图,为俄航空工业发展数字化技术提供顶层战略指导。与此同时,大型航空企业开始研究引入各类数字化技术,推动研制生产和服务系统向数字化模式转变。4月,俄联合发动机制造集团旗下土星公司启动智慧工厂计划,全面推进研发、生产、运营等各环节数字化改造;10月,联合飞机制造集团启动数字化转型计划,利用大数据、人工智能等技术优化生产流程。

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4、 用电子束控制单个原子有望开启“原子工程”新纪元

2019年5月,麻省理工学院和其他多国研究团队在扫描透射电子显微镜(stem)中使用相对论电子束,使其在磁透镜的精确控制下,将原子击退,并控制原子的位置和键合方向。它有望在微秒级上控制质子。与使用探针控制原子相比,速度提高了几个数量级。研究人员首次用磷原子取代部分碳原子,实现了对石墨烯上不同掺杂原子的电子控制。这一发现有望最终用于制造量子计算设备或传感器,开启“原子工程”的新时代。

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5、 Ge验证用于添加剂制造的量子安全区块链网络

2019年5月,通用电气为添加剂制造业开发了一个区块链交易平台。平台采用高度加密通信的数据集成工具,通过量子通信通道和超快量子密钥分发技术存储数据,实现可靠的量子安全网络。在网络中,与设计、材料、设备、元器件和人员有关的每一个身份都可以自动验证、认证、记录和管理,最大限度地保证了数据的完整性和安全性。在添加剂制造中,为原料粉向成品的数字化传输提供安全保障,满足国防工业的需要。

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6、 用于纳米级3D打印的飞秒投影双光子光刻技术

2019年10月,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室在《科学》杂志上发表声明,开发出一种可扩展的纳米/亚微米添加剂制造技术,称为“飞秒投影双光子光刻”。通过对超快激光在空间和时间上同时聚焦,实现了任意复杂三维结构下基于投影的亚微米分辨率逐层并行打印。与现有的标准逐点双光子光刻技术相比,该新技术可以在不降低分辨率的情况下提高生产速率3-4个数量级,促进双光子光刻技术在机械光学超光学材料和微光学器件中的实际应用。柔性电子器件和其他微纳结构。

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7、 Orbex制造全球最大的添加剂制造集成金属火箭发动机

2019年2月,英国orbex公司宣布,SLM解决方案激光选择性熔化(SLM)设备用于制造一种载重量150-200公斤、飞行高度1250公里的小型火箭发动机。奥巴克斯说,这台发动机是由世界上最大的添加剂镍合金制成的。由于没有焊缝和接头,结构重量减少了30%,能够承受极端的温度和压力波动。与传统数控加工相比,缩短了90%的加工时间,节约了50%以上的成本。

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8、 美军采用超高强度钢粉激光选择性熔炼制造坦克发动机叶轮风扇

2019年2月,美国陆军研究实验室披露,美国空军最初研制的用于星爆弹的af96合金钢被转化为粉末,通过选择性激光熔炼工艺成功打印出阿布拉姆斯M1主战坦克涡轮发动机的叶轮风扇,并已交付使用供使用。印刷用af96合金的强度比商用材料高50%左右,在地面车辆零部件的维修和更换中具有广阔的应用前景。

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9、 下一代陶瓷装甲功能梯度材料添加剂制造技术的突破

2019年12月,美国陆军研究实验室和加利福尼亚大学联合开发了一种具有多材料和在线混合能力的直接写入成形系统,并将其与Lulz BOT TAZ 6商用台式3D打印机集成。采用高固体陶瓷颗粒悬浮油墨成功制备了层状、梯度SiC和BCC复合材料。该设备可实现材料的精确输送,提高基于注射器的直写系统的启动和停止响应,并具有独特的在线混合能力,并可形成梯度分量,为研究功能设计对复合陶瓷装甲弹道性能的影响提供了重要途径。

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10、 NASA大型内肋壳旋压成形技术的工程应用

2019年9月,美国航天局宣布,“内表面大型管材整体成形工艺纵向强化”项目正式完成,技术成熟度达到工程应用水平。该项目于2011年启动。针对“航天发射系统”重型运载火箭低温推进剂贮箱,突破了内加筋管旋压/滚压复合成形工艺,完成了直径3米管的结构试验。与传统的多工序加工和焊接装配工艺相比,新工艺可使成品重量减轻5%-10%,制造周期缩短60%,材料浪费减少5%,成本降低50%。可用于运载火箭、导弹壳体和飞机机身的制造。

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11、 超快激光焊接陶瓷技术的重大突破

2019年8月,加州大学宣布开发一项由DARPA资助的新型陶瓷超快激光焊接技术。这种技术可以在室温下进行。激光功率小于50瓦,焊接时间短,能耗低。它比需要在炉内加热零件的陶瓷焊接技术更实用。通过将能量集中在目标区域,避免了陶瓷零件的温度梯度,解决了高熔化温度和极端温度梯度的焊接问题。标准试验方法用于测试陶瓷焊接件的真空度。结果表明,该器件符合军用电子器件的包装标准。

12、 德国研制了船用钢铝激光焊接新工艺

2019年5月,德国汉诺威激光中心领导的一个联合研究小组开发了一种钢铝激光焊接工艺,可以快速灵活地制备不同厚度的混合接头,从而取代昂贵且复杂的爆炸喷涂工艺,可用于船舶上层建筑的施工。采用发射光谱和短相干干涉技术实现过程控制,通过可调激光束功率控制焊接深度,保证焊缝质量。激光焊接接头的强度与爆炸喷涂相同,激光焊接铝合金的屈服强度提高了52%。

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13、 Spirit开发新的复合材料成型技术制造下一代机身

2019年6月,精灵航空系统在巴黎航展上推出了下一代大容量单通道机身复合材料制造技术,以及该技术制造的机身面板样品“先进结构技术与革命性结构”,尺寸为5.5m×3.7m,采用蒙皮桁架梁整体设计和蒸压固化预浸料技术,有效解决了传统机身桁梁和蒙皮的不连续性能问题,为下一代单通道飞机机身生产提供了降低成本和提速的要求。与传统结构和制造工艺相比,新结构和新工艺可降低制造成本30%。

14、 欧盟资助的新型金属复合连接技术研究与开发

在欧盟地平线2020计划的支持下,夫琅和费研究院牵头实施了“交换”项目,开发金属复合连接新技术,用于制造钢纤维增强复合材料零件,用于局部功能加固,以满足航天等领域的减重节能要求。新型复合连接技术采用激光变形和激光辅助铺带技术,属于机械连接。局部精密加热可减少变形和残余应力,且不需要额外的后处理或粘结剂,特别适合大规模生产。

15、 移动机器人有望实现大型航天零件的精密加工

2019年6月,西门子与德国弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所研发出一种机器人,可以在工件周围自由移动进行加工,解决了航空航天大型零件精密加工设备、耗时费力的加工站转移等问题,自动导向小车作为移动加工机器人的基础平台,重量6吨,具有足够的刚度,能够稳定地进行精密加工。六轴机器人作为加工平台,可以实现相对位移的精确驱动和精确测量。移动机器人加工的零件质量相同,同时运行两台机器人可以减少30%以上的生产时间。

16、 美军大力推动冷喷涂技术的发展和应用

冷喷涂技术具有涂层厚度不受限制、与基体固相连接、加工效率高等优点,受到美军的高度重视。2019年,美军大力推进冷喷涂技术在装备制造和维修领域的研究和应用,取得重要突破。为提高战备水平,美军围绕战场金属和聚合物基复合材料部件冷喷涂等现代关键需求,支持了近4000万美元的技术研发。今年8月,美国陆军研究实验室和地面车辆系统中心联合研发了冷喷涂工艺,成功用于M2“布拉德利”战车炮塔和炮塔的维修,大大降低了维修成本,提高了系统可用性。

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17、 美国发明的“原子装甲”涂层的强度是钢的200倍

洛斯阿拉莫斯国家实验室开发了一种叫做“原子装甲”的超薄二维晶体涂层。涂层由石墨烯和六角氮化硼组成。涂层的厚度只是单层原子的厚度。它比钢强200倍。它具有很低的渗透性和高的化学稳定性。它能阻挡颗粒和气体,不会与要保护的表面发生反应。该涂料具有优异的透明性和导电性,可用于夜视镜、集成电路、光电器件等环境敏感设备的防护,有效延长设备的使用寿命,同时不影响设备的性能。未来,“原子装甲”将与油漆混合,这也将保护飞机和船舶部件免受腐蚀。

18、 新技术实现全球首个大规模全碳纳米管CMOS芯片制备

2019年8月,在DARPA的“电子复兴计划”的支持下,麻省理工学院采用多层垂直堆叠结构和一种新的碳纳米管技术来制造世界上第一个大规模全碳纳米管互补金属氧化物半导体(CMOS)微处理器芯片。麻省理工学院提出了一些创新技术,如选择性机械剥离、金属界面工程和静电掺杂等,以解决芯片制造缺陷和质量一致性问题。新工艺简单可行,与主流硅基CMOS工艺完全兼容,为实际生产全碳纳米管CMOS微处理机奠定了基础。

19、 新的激光加工技术大大提高了二维半导体材料的光学效率

2019年4月,美国海军研究实验室开发了一种新的激光加工技术。通过钝化单层二硫化钼(MoS2)材料的缺陷,使材料的光致发光强度提高200倍。新型激光加工技术利用激光辐照水分子和半导体材料的光催化反应机理,对硫空位进行钝化处理,具有效率高、效果稳定、工艺条件简单、精度高等特点。二维半导体材料的光学效率有了很大的提高,推动了新型光电传感器、纳米激光器、光电探测器、柔性电子器件的发展,为器件的发展开辟了新的途径。有望促进光电器件的小型化和高效率。

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20、单片机和多传感器MEMS器件制造技术的突破

在美国国家科学基金会的支持下,美国Yinggan公司只使用单一的互补金属氧化物半导体(CMOS)平面工艺平台来制备单芯片多传感器MEMS,这大大简化了集成传感器的制备过程。它解决了传统的组合式集成传感器制造通常需要两个工艺平台:COMS和硅基MEMS,工艺复杂,制造成本高的问题。该装置开发周期长,体积大,为多传感器与信号处理器的集成开发提供了新的思路。


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