2019年度国外国防制造技术20大动向
2019年，围绕国外先进制造技术领域的最新发展动向和研究热点，跟踪积累形成了大量情报研究成果。遴选出以下对国防科技发展和武器装备研制生产具有重要影响的20条技术动向。
1.用于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，应用动力学国际公司宣布受美国空军研究实验室资助开发出可实时优化的机器学习模型库，并成功用于飞机、舰船、涡轮发动机等复杂武器系统相互关联的物理学特性表征，包括结构力学、热力学和空气动力学特性等。采用经过训练的机器学习模型可对根据传统方法和工具生成的复杂系统设计方案进行评估，且计算速度与传统使用紧耦合的有限元—流体动力学模型相比，可提高10万倍。所开发的机器学习模型库能够在配备大型NVIDIA图形处理器的Linux服务器上进行运算，且计算能力可配置。
2.美国海军采用数字孪生技术验证“林肯”号航母
2019年10月，美国海军信息战系统司令部宣布为“林肯”号航母建立首个名为“数字林肯”的数字孪生体。该孪生体采用基于模型的系统工程方法构建，将开发流程从现行的“设计→构建→测试”转变为“模型分析→构建”。这种转变响应了国防部数字化转型战略，能够增强系统可靠性与网络安全。借助“数字林肯”孪生体，美军已对5个计划于2020年交付的信息作战系统性能进行了虚拟测试，并计划将数字孪生技术应用于“艾森豪威尔”号航母。
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。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； 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。
4.利用电子束操纵单个原子，有望开启“原子工程”新时代
2019年5月，麻省理工学院等多国研究团队利用扫描透射电镜（STEM）中的相对论电子束，使其在磁透镜的精确控制下，将原子击离其位置，并控制原子的位置及成键方向，有望在微秒尺度上操纵原子，与采用探针操纵原子相比，速度提高了几个数量级。研究人员通过在石墨烯片上使用磷原子取代部分碳原子， 首次实现电子手段操纵石墨烯上的不同掺杂原子。这一发现最终有望用于制造量子计算设备或传感器，开启一个“原子工程”的新时代。
5.通用电气公司验证用于增材制造的量子安全区块链网络
2019年5月，美国通用电气公司开发出用于增材制造的区块链交易平台。该平台采用具有高度加密通信的数据集成工具，并通过量子通信通道和超快量子密钥分发技术进行数据存储，能够实现可靠的量子安全网络。在网络中， 与设计、材料、设备、组件及人员相关的每个身份都可自动进行快速验证、认证、记录和管理， 具有最大程度的数据完整性和保障。在增材制造生产中，能够为从原材料粉末到成品零部件的数字传输提供安全保障，满足国防行业需求。
6.飞秒投影双光子光刻使纳米3D打印速度提升千倍
2019年10月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室在《科学》杂志发文称，开发出名为“飞秒投影双光子光刻”的可扩展纳米/亚微米增材制造技术，通过对超快激光同时进行时、空聚焦，实现了基于投影的具有亚微米分辨率的任意复杂三维结构的逐层并行打印。与现有标准串行逐点写入的双光子光刻技术相比，新技术在不降低分辨的情况下，将生产速率提高3~4个数量级，推动双光子光刻技术在机械和光学超材料、微光学元件、柔性电子器件等微纳米结构中的实际应用。
7. Orbex制造出全球最大的增材制造整体成形金属火箭发动机
2019年2月，英国Orbex公司宣布，采用SLM Solutions公司激光选区熔化（SLM） 设备，制造出小型火箭用发动机，所配火箭有效载荷150～200千克，飞行高度1250千米。Orbex公司称该发动机采用镍合金材料，为全球最大的增材制造整体成形金属火箭发动机， 由于没有焊缝和接头，结构重量减轻了30%， 可承受极端的温度和压力波动变化。与传统的数控加工相比，制造时间缩短90%，成本节省50%以上。
8. 美军采用超高强钢粉末激光选区熔化制成坦克发动机叶轮风扇
2019年2月，美国陆军研究实验室披露， 将最初由空军开发的用于碉堡克星炸弹的AF96合金钢改制成粉末形式，利用激光选区熔化工艺成功打印出艾布拉姆斯M1主战坦克涡轮发动机的叶轮风扇，并已交付使用。用于打印的AF96合金材料比商业上可获得的材料强度高约50%，在地面车辆零件维修更换方面应用前景广阔。
9.下一代陶瓷装甲功能梯度材料增材制造技术取得突破
2019年12月，美国陆军研究实验室与加州大学合作研制出具有多材料、在线混合能力的直写成型系统，并将其与Lulz Bot Taz 6商用桌面3D打印机集成，采用成分为高固体负载陶瓷颗粒悬浮液的打印油墨，成功制备了具有层状和梯度结构的碳化硅和碳化硼复合材料。该设备能够实现材料精确输送，改善基于注射器的直写成型系统的启动/停止响应，并具备独特的在线混合能力，能够形成梯度组分，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。
10. NASA大型带内筋薄壳承力件旋压成形工艺实现工程应用
2019年9月，NASA宣布“内表纵向加强大型筒形件整体成形工艺”项目正式结束， 技术成熟度达到工程化应用水平。该项目始于2011年，以“航天发射系统”重型运载火箭低温推进剂贮箱为应用目标，突破了带内加强筋筒形件旋压/滚压组合成形工艺，并完成直径3米筒形件结构测试。相比机械加工配合焊接拼装的多工序传统工艺，新工艺实现成品减重5%～10%，制造周期缩短60%，材料浪费从90%降低到5%，成本减少50%，可用于运载火箭、导弹壳体、飞机机身制造。
11.超快激光焊接陶瓷技术获重大突破
2019年8月， 美国加州大学宣布受DARPA资助研发出陶瓷超快激光焊接新技术。该技术可在室温条件下实施，所用激光功率低于50瓦，焊接时间短，能量消耗少，比目前常用的需在炉内加热部件的陶瓷焊接技术更加实用。通过将能量集中在目标区域，避免了陶瓷部件中温度梯度的产生，解决了陶瓷熔化温度高以及承受极端温度梯度而造成破裂的焊接难题。采用标准测试方法对陶瓷焊接组件进行真空测试，结果表明，组件满足军用电子器件等封装标准。
12.德国开发出新型船用钢-铝激光焊接工艺
2019年5月，德国汉诺威激光中心牵头的联合研究团队开发出钢-铝激光焊接工艺，可快速灵活地制备不同厚度混合接头，从而替代昂贵且复杂的爆炸喷涂工艺，可用于船体上层结构建造。该技术利用发射光谱与短相干干涉测量实现工艺控制，通过可调的激光束功率主动控制焊接深度，保证焊缝质量。在静态载荷下进行拉伸剪切试验，激光焊接接头的强度与爆炸喷涂工艺相当，激光焊接铝合金的屈服强度提高了52%。
13.美国Spirit公司开发新型复合材料成型技术制造下一代机身
2019年6月，美国Spirit航空系统公司在巴黎航展上推出下一代高容量单通道机身复合材料制造技术，以及利用该技术制造出的名为“先进结构技术与革命性结构”的机身壁板样件， 尺寸为5.5米×3.7米。该样件采用蒙皮桁梁一体化设计和热压罐固化预浸料工艺制造，有效解决了传统机身结构桁梁和蒙皮性能不连续的问题，为满足下一代单通道飞机机身生产降本、提速等要求奠定重要基础。与传统结构和制造工艺相比，采用新结构和新工艺使制造成本降低30%。
14.欧盟资助研发金属与复合材料连接新工艺
在欧盟“地平线2020”计划支持下，弗劳恩霍夫研究所牵头实施“ComMunion”项目， 开发金属与复合材料连接新技术，用于制造主体由钢材制成并采用纤维增强塑料进行局部功能强化的复合零件，以满足航空航天等领域对减重、节能的需求。新型混合材料连接工艺采用激光毛化和激光辅助铺带组合工艺，属于机械连接，局部精确加热可减少变形和残余应力， 且无需额外的后处理或粘结剂，尤其适用于大规模生产。
15.移动机器人有望实现大型航空航天零部件精密加工
2019年6月，西门子公司与德国弗劳思霍夫制造技术与先进材料研究所开发出可在工件周围自由移动进行机械加工的机器人，以解决航空航天大型零件精密加工设备专用、加工工位转移费时费力等问题。作为移动加工机器人基础平台的自动导引车重6吨，具有足够的刚性来稳定执行精密加工，加工平台的6轴机器人可实现精密驱动和相对位移精密测量。该移动机器人加工的零部件质量一致性高，同时运行两个机器人可实现生产时间减少30％以上。
16.美国陆军大力推进冷喷涂技术研发应用
冷喷涂技术因具有涂层厚度不受限制、可与基体形成固相连接、加工效率高等优点，受到美陆军高度重视。2019年，美国陆军大力推动冷喷涂技术在装备制造和维修中的研发应用， 取得重要突破。为提高战备能力，美国陆军围绕战场金属冷喷涂、聚合物基复合材料构件冷喷涂等现代化重点需求资助近4000万美元开展相关技术研发。8月，美国陆军研究实验室和地面车辆系统中心联合开发冷喷涂工艺并成功用于M2“布雷德利”战车炮塔炮座修复，大幅降低维修成本，提高了系统可用性。
17.美国发明“原子装甲”涂层，强度为钢材200倍
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发出名为“原子装甲”的超薄二维晶体涂层。该涂层由石墨烯和六方氮化硼等组成，厚度仅为单层原子厚，强度比钢材高200倍，具有极低渗透性和极高化学稳定性，能够阻隔颗粒与气体，且不与待保护表面发生反应。优异的透明性和导电性使该涂层可用于夜视镜、集成电路、光电器件等环境敏感设备防护，有效延长使用寿命而不影响设备性能。未来将“原子装甲”与油漆混合，还可以保护飞机、船舶上的零件免受腐蚀。
18.新工艺实现世界首个超大规模全碳纳米管CMOS芯片制备
2019年8月，在DARPA“电子复兴计划”支持下，美国麻省理工学院采用多层垂直堆叠结构和全新碳纳米管工艺，制造出世界首个超大规模全碳纳米管互补性金属氧化物半导体（CMOS）微处理器芯片。MIT提出了选择性机械剥离、金属界面工程结合静电掺杂等多项创新性技术，解决了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技术完全兼容，为实用化全碳纳米管CMOS微处理器批产奠定了基础。
19.新型激光加工工艺大幅提升二维半导体材料光学效率
2019年4月，美国海军研究实验室研发出新型激光加工工艺，通过钝化单层二硫化钼（MoS2）材料的缺陷，使材料光致发光强度提高200倍。新型激光加工工艺利用激光照射下水分子和半导体材料的光催化反应机理来钝化硫空位，具有效率高、效果稳定、工艺条件简单和精度高的特点，实现了二维半导体材料光学效率的大幅提升，为推动光学传感器、纳米激光器、光电探测器、柔性电子器件等新型光电器件发展开辟了新的途径，有望促进光电器件的小型化和高效化。
20.单芯片多传感器MEMS器件制备工艺取得突破
2018年12月， 在美国国家科学基金会支持下，美国盈感公司仅采用单一互补性金属氧化物半导体（CMOS）平面工艺平台就制备出单芯片多传感器微机电系统（MEMS），大幅简化了集成传感器制备流程，解决了传统组合型集成传感器制造通常需要COMS和硅基MEMS两个工艺平台，工艺复杂、制造成本高、研制周期长、且器件整体尺寸较大的问题，为多个传感器与信号处理器一体化制备提供了全新思路。
来源：中国航空报
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