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作 者
郭东明 院士
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机 构
大连理工大学
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Citation
Guo D M. High-performance manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 2024. 6 060201.
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad7426
撰稿 | 文章作者
01 文章导读
面向高端装备制造的挑战，近期大连理工大学机械工程学院郭东明院士在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上发表了题为《High-performance manufacturing》的文章，讨论了制造技术中的关键挑战，探讨了高性能制造的本质，概述了设计与制造之间的定量关系，提出了广义的高性能制造框架，对高性能制造领域的发展具有重要意义。
图1 高性能制造理论和技术的总体框架
02 图文解析
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。
高性能制造是基于科学建模、优化计算与设计、精准控制制造过程的科学设计与制造，注重创新提出制造新原理、新工艺，注重制造在全流程或关键环节上性能建模的系统性、完备性和精确性，强化以正确、坚实的科学原理为指导和跨学科、跨领域的系统建模仿真与集成创新，以促进制造技术的全新突破。图2展示了高性能制造需要重点探究的基础问题。
图2 高性能制造的基础问题
高性能制造中一些对制造敏感的关键性因素，需要在设计制造环节中给予一体化的协同考虑。如图3所示，高性能制造中的设计制造应是面向性能的设计、面向制造的设计与面向性能的制造的协同统一，是以性能建模为核心，设计与制造深度融合、与新理论新方法紧密结合的协同制造。以装备或零件的综合性能指标为系统级目标，以材料、结构、几何、工艺等参量的内在关联关系和一体化多学科、多领域联合仿真为手段，通过对静态、动态制造数据流的处理与利用，实现制造信息向设计信息的反馈，继而实现以减少性能偏差为目标的参量定制、调整或再设计，从而满足高性能制造要求。
图3 面向性能的设计制造范式
如图4所示，高性能制造中的面向性能的制造是一种基于性能建模下的闭环制造模式，是在设计制造一体化的基础上充分认识到一些导致性能不易精确达成的关键性因素，通过由性能建模约束下制定工艺规程和求解工艺参量的反求制造，包括由性能偏差测试和工艺参量反求的定量定域定式的修正加工方法，实现零件性能的精确达成。
图4 面向性能的制造工艺流程
03 总结与展望
高端装备需求的不断增加使高性能制造在工业和经济领域中发挥了变革性的作用，标志着未来的发展方向。尽管在特定高性能组件的制造工艺和装备上取得了显著突破，但对高性能制造的基础研究仍然不足。目前，高性能制造的综合理论和技术体系仍处于起步阶段，在许多单一研究点和技术上缺乏重要突破。这种缺乏在创新制造概念和加工方法的发展中表现得尤为明显。传统制造与高端装备及其关键组件的制造之间存在深刻区别，这些区别体现在材料、结构、形状、表面完整性、精度和性能等方面。因此，探索适合高性能制造的方法对提高高端装备的制造能力和标准至关重要。
未来，高性能领域的研发应紧密结合实际应用，寻求独特的技术优势，努力建立创新的多功能性能理论、设计方法论和技术。重点关注设计与制造之间的协同作用，以及针对系统解决方案的工艺和装备的研发。总之，实现高性能制造需要长期、系统和深入的研究，以建立一个扎实、可行和系统化的高性能制造理论与技术体系。
作者简介
撰稿:作者 编辑：梁煜 审核：范珂艳 关利超
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