關于“高性能制造技術——制造技術的進步和制造理念的提升”報告答觀眾問

　　2022年5月21日上午，大連理工大學校長郭東明院士受邀參加“高性能制造高端論壇”并作題為“高性能制造技術( High Performance Manufacturing, HPM)——制造技術的進步和制造理念的提升”報告。報告共分高性能制造技術的需求背景、內涵、總體框架及特征、使能技術、典型案例、結論與展望六個部分，從高端裝備及其零部件的特點、制造要求和制造技術的現狀出發，闡明了高性能制造的內涵，并針對高性能制造未來發展趨勢提出了獨到見解。此次論壇報告直播間人氣爆棚，總收看超過5.5萬人次。大家對郭院士的報告反響熱烈，紛紛在評論區發表自己的觀點與想要交流、探討的問題。由于時間原因，報告結束后主持人從眾多問題中精選了3個問題請郭院士解答，郭院士細致入微的回答，令大家受益匪淺。會后應大家的要求，我們又從評論區中精煉出20個具有代表性的問題，再次邀請郭院士為廣大科研工作者解惑釋疑。郭院士針對以上熱點問題，不僅采用書面形式做出了深入淺出的解答，而且表示愿意與廣大科研工作者進一步探討并共同推動高性能制造技術的發展，助力制造強國的早日實現。《機械工程學報》也將持續關注，為廣大科研工作者搭建學術交流的橋梁，助力高性能制造的發展。

　　1.問：現在制造中設計人員與制造人員交流較少，要推動高性能制造應當是上游還是制造這邊?

　　郭院士：這正是傳統設計制造的問題所在，交流少、協同難，產品的性能無法保證。因此，急需高性能制造的推進，這首先要求技術總管，如總師，要有這種認識，其次是設計和制造人員都有這種認識。當然了，制造研究人員要有高站位，從產品性能角度來分析和說明設計參數與制造參數的影響，從而提出有助于性能提升的建議，設計人員和產品技術總管才可能接受制造人員的意見。

　　2.問：智能制造模式相對傳統加工，在高性能裝備制造具有的優勢主要體現在哪些方面?

　　郭院士：高性能裝備制造，是可以稱為高性能制造的，可以用智能制造來實施，但不一定必須用智能制造。智能制造和高性能制造的共性特征都是要基于建模的數字化制造。智能制造是對制造系統建模的基礎上實現制造過程的數字化、自動化和智能化，高性能制造是對產品性能建模和制造全過程建模基礎上的產品設計和制造，一定是數字化制造和可計算的制造，但不一定是智能化制造。也就是說，智能制造追求的是制造過程的智能化，高性能制造是在產品設計制造的全過程中，始終追求的是保證產品的性能。

　　3.問：高性能制造和高精度制造，通過制造實現多目標追求，多目標之間是否存在優先性，先保證精度還是先保證性能?

　　郭院士：高性能制造中，精度是為了保證性能在設計中提出的制造要求，性能是最終目標，精度是過程中的因素。如果低制造精度就可以獲得高的產品/裝備性能，就沒必要選擇高精度制造。因為一般來說，高精度制造往往對應的是比較高的制造成本和比較長的制造周期。

　　4.問：請問從經驗制造，到科學制造，目前有哪些操作性強的途徑?

　　郭院士：科學制造，所謂科學的制造，就是說制造的過程要能科學的分析和描述，能計算的不一定是科學的，但科學的一定是可以計算的。所以說，科學的制造，就是產品的設計、產品的制造以及制造的全過程，都不是依據經驗進行，而是基于分析、計算和優化進行的。也就是說要對產品本身及其設計制造全過程進行全面的建模，可以是基于理論建立的模型，也可以是基于經驗和數據建立的模型，也可以是基于理論與數據相結合建立的模型。這個模型的運行，尤其是邊界條件等參數的確定，必須是根據實際的條件、具備的生產制造技術和工藝過程等情況得出的，產品的設計和制造都是根據產品性能要求，基于模型分析、計算、優化給出的。這就是與傳統的依據經驗的制造的本質區別。實現科學制造的途徑，首先是產品的性能建模，其次是基于性能模型的設計，即面向性能的設計(DFP)和面向制造的設計(DFM)，以及制造系統的建模等。

　　5.問：高性能制造對產品設計和工藝的協同是不是提出了很高的要求，在當前設計制造相對獨立的背景下，如何更好地促進高性能指標設計解耦和工藝映射?

　　郭院士：高性能制造首先是要從制造理念上明確產品性能保證是一切制造的目標，通過性能建模把所有環節有機關聯起來，通過性能關聯模型把設計和制造有機協同起來。因此可以說，高性能制造是針對傳統設計與制造分離提出的系統性解決方案，對現有設計制造過程具有良好的兼容性。特色的地方在于，要求設計和制造環節作為子系統，在系統層的指導下進行指標的分解、參數的解耦和學科的協同。大連理工大學在高性能天線罩、飛機高性能縮比風洞試驗模型、核主泵等高端裝備和關鍵零部件的制造研究中進行了成功的嘗試和應用，《高性能制造》的最新論文即將在《機械工程學報》刊出，敬請關注。

　　6.問：請問高性能制造底層用的相關軟件工具是自主的還是國外的?

　　郭院士：由于高性能制造提出時間還不長，目前還主要集中在一些典型零件和典型裝備的研制上;雖然在某些具體的支撐性技術方面，有一些相關的程序和軟件系統，但總體來看，目前還沒有專門的協同平臺或者軟件，需要高性能制造領域的專家、學者、工程師在這方面進行深入系統的研究，逐步建立。

　　7.問：高性能制造中的“建模”與“仿真優化”有什么區別，分別解決什么問題，或者起的作用是什么?

　　郭院士：高性能制造中的建模，主要目的是建立材料、結構和工藝參數與產品性能的量化映射關系，是高性能設計和制造的重要基礎，包括解析建模、數值建模、數據建模、聯合建模等各種具體方法。近年來，單一的機構構型建模已經發展到考慮機構速度、精度、剛度和動態性能等的“功能-構型-結構”綜合解空間建模。上海交通大學的高峰教授和天津大學的黃田教授在這方面分別做出了引領性和創新性的工作。性能建模技術正逐漸從關注幾何設計的CAD建模發展到關注物理性能的CAE建模，從穩態靜力學建模轉為瞬態、時變的動力學建模，從單一零件建模發展為剛柔耦合的多體動力學建模，從結構應力的單一物理場建模跨入流固熱多場耦合建模，從宏觀單尺度建模拓展到宏微多尺度建模，從均質連續性建模到非均質離散、連續混合建模，從全數字虛擬建模發展為虛實融合的半實物建模。仿真優化是基于建立好的模型，進行性能的協同優化。仿真優化是實現高性能制造的支撐技術之一，包括正向設計階段產品性能的規律分析，材料、結構等參數的優化，以及制造過程的仿真預測和工藝參數的優化等。

　　8.問：具體實施過程中，怎么實現“定式定域定量加工”，現在有哪些具體技術?

　　郭院士：“定量定域定式加工”有兩層含義，一是根據設計(DFP和DFM)制定出具體的工藝規程，確定每一道工序的加工工藝方法(確定的加工方式)、加工區域(即確定的區域)和加工去除(或增加或改性處理)量(即確定的量，是一個名義量值)，由此進行的加工;二是由于設計制造中不可消除因素造成初步制造后性能有偏差，根據性能偏差和制造出零件的實際幾何和材料特性量值，反求得到零件、部件的下一步精密加工去除(或增加或改性處理)量(這里是一個絕對量值)、加工區域和加工方法，由此進行的加工。因此，在完成初步制造后性能超差后的制造階段，“定量定域定式加工”中的“定量”和“定域”指的是根據性能偏差反求得到幾何參數或材料特性的修正量和位置，“定式”指的加工方法或方式，總的可以分為減材、增材和改性處理三大類，具體地根據幾何和材料特性修調要求，確定特定方式。目前可以實現定量定域定式加工的技術有很多，包括傳統的和各種新的加工技術，但精確的定量加工往往需要的是測量加工一體化的精密加工新工藝和新裝備。例如在天線罩精密加工中的逐點按需實現微米量級去除的測量磨削加工一體化工藝與裝備，在半球陀螺諧振子性能修調中用離子束或超快激光技術的逐點按需的亞微米級去除加工技術，在高性能飛機顫振模型件制造中用局部復材微量增材工藝技術，其它例如光學領域確定性拋光的各種技術也可以實現定量定域定式加工。

　　9.問：高端裝備組成從子系統、部件和零件層面是非常復雜的，如何能實現性能的建模，我們應該從哪些方面努力?

　　郭院士：高端裝備通常是復雜的機電復合體，包括不同的零部件、子系統等，同時兼具多學科與多領域的特點，其系統建模頗具挑戰性。因此，其性能的建模不能“求全、求大”，而是要“小而精”，也就是要具有明確的目標導向性，要根據高端裝備的使用要求，分析凝練出關鍵的性能指標，進而有針對性的建模。對于次重要的零部件可以進行科學合理的簡化，采用“子模型”的方法，進行“低保真度建模”，對于關鍵零部件或子系統，應該重點關注，進行“高保真度建模”，最終通過多個模型接口將不同的模型組合成可建模、可求解的“多保真度”和系統級模型，實現高端裝備性能的快速和高精度分析、預測。目前，我們國家在性能建模方面的研究存在明顯不足，技術上缺乏基礎工業軟件的支撐，行業政策上缺乏知識的透明度與共享度，不同領域、不同部門各自為戰，標準化和協調性不足，一定程度上限制了高端裝備的性能建模，這是我們未來要努力解決的問題。

　　10.問：面向復雜系統時怎么解決建模和求解問題?

　　郭院士：復雜系統建模確實非常困難，需要多學科知識，并且不同類型的系統之間差異性很大。建模和求解是不同的兩個問題，沒有模型就談不上求解，有了模型，有時由于模型極其復雜，其求解也是極其困難的。復雜系統的建模可以先從子系統的建模或主要因素之間關聯關系建模入手，由相對簡單系統入手，逐步深入完成復雜系統建模。復雜模型的求解則需要借鑒和利用先進的計算科學，比如并行計算、人工智能等技術。概括起來，建模和求解就像硬幣的里面，也應該綜合考慮二者的協同性，遵循的路線應該是“分-合-分”的策略。

　　11. 問：高性能制造是否需要考慮設計，比如機械設計、機構設計、力學分析等，與高性能制造是什么關系?

　　郭院士：高性能制造是一個廣義的系統性理論，而非狹義的機械加工技術，它涵蓋了從方案設計、詳細設計到加工制造、裝配，到性能檢測的全鏈條，機械設計、機構設計、力學分析等都是高性能制造中，設計環節中不可缺少的關鍵內容。高性能中的性能是一個泛指，需要根據具體對象具體劃分，比如FAST天眼等重大裝備的高性能制造，既要充分考慮機構的運動特性，也要考慮復雜工況下的靜力學、動力學問題，同時要考慮精度和可靠性等性能要求，是一個典型的慮及多學科影響關系的智能化的制造，需要材料、設計和制造等的充分協調與配合，更需要制造過程中的合理修調來充分保證其最終使用性能。

　　12.問：關于高性能設計與制造一體化，是否有專門協同平臺完成所有流程的單一數據源傳遞工程和反復迭代多尺度自動修正?

　　郭院士：由于高性能制造提出時間還不長，目前還主要集中在一些典型零件和典型裝備的研制上，雖然在某些具體的支撐性技術方面，有一些相關的工具和軟件系統。但總體來看，目前還沒有專門的協同平臺或者軟件，需要高性能制造領域的專家、學者、工程師在這方面進行深入系統的研究，逐步建立。

　　13.問：數字孿生技術目前在國內高端制造的現狀是什么?

　　郭院士：數字孿生是隨著裝備制造發展的需要，近幾年出現的一項新技術，盡管炒作很熱，但總的說來尚屬于發展階段，在高端裝備制造中用的還不多，更多的是在研究過程中。數字孿生的基礎是產品的性能和制造過程的建模，不僅需要多學科的知識，需要強大的工具軟件支撐，還需要與實際的物理系統實時有機連接。大連理工大學的宋學官教授近幾年在數字孿生方面的研究比較深入，提出了形性一體化數字孿生方法，針對若干個企業產品進行了很有特色的數字孿生工作。

　　14. 問：在高性能制造實現過程中，人工智能和數字孿生等技術能發揮什么樣的作用?

　　郭院士：人工智能在各行各業的應用由來已久，隨著先進傳感技術的不斷發展，各種傳感器的廣泛應用，制造過程中的有效數據量會越來越多。這些累積的數據是寶貴的資源與財富，通過人工智能的方法分析和挖掘這些數據，一方面可以從實際測量數據出發，從速度、壓力、流量、溫度、影像等不同角度，更好地了解高端裝備性能的演變規律;另一方面，通過人工智能的輔助，可以更好的解決很多機理模型的不足問題，做到“機理建模、數據修模”。數字孿生是近些年非常熱門的技術概念。簡單來說，其在高性能制造中，可以發揮兩類作用，一是采用機理模型、實時傳感數據以及專家知識等信息，構建具有多學科、多尺度等耦合特性的實時“隨動”孿生模型，能夠在虛擬空間中實現真實物理體形態與性能的精確模擬與映射;二是運用構建的孿生模型對真實物理體的鏡像模擬、分析與優化調控，輔助真實物理體實現智能化、最優化操控與運行，也就是基于鏡像模擬的優化調控，實現真實物理體、制造過程的最優輸出表現。我們團隊的論文《重大裝備形性一體化數字孿生關鍵技術》近期會在《機械工程學報》以封面論文形式發表，里面有更多關于數字孿生與高性能裝備相結合的思考與討論，敬請關注。

　　15. 問：高性能制造關注的性能有哪些，哪些是普通加工制造難以實現，從而必須用高性能制造的方法?

　　郭院士：隨著應用空間的不斷拓展和服役性能的不斷提升，航空航天、能源動力、信息電子等領域對高端裝備的需求迫切。這些高端裝備以承載、傳導、換能、運動、隱身等性能的精準保證為主要制造目標，往往是機電液多系統構成，涉及到多學科知識，不僅性能要求高，且往往系統和結構復雜、構成裝備的材料特殊且難加工、零部件表面完整性或精度要求極高，制造難度極大。利用傳統設計制造技術面臨造不出、造不好(性能不穩定或可靠性差)、或廢品率高、周期長等挑戰，必須尋求系統性的、基于科學的新的方法和技術解決。這些高端裝備或高端裝備的關鍵零部件的制造，建議用高性能制造技術。

　　例如，以報告中的飛行器顫振風洞試驗縮比模型為例，它其實是一種典型的高性能裝備產品。它的制造不僅需要保證幾何外形、結構和質量分布與原飛行器的精確相似，更需要保證多階頻率與原飛行器頻率的精確相似。然而，僅靠調控工藝參數，縮比模型多階頻率難以滿足指定要求，或者為精確控制幾何和材料誤差范圍，需要提升成形裝備與工藝從而帶來成本的急劇增加，縮比模型制造的經濟性變差。這時候，采用高性能制造的思路，基于顫振縮比模型多階模態頻率與模型幾何、材料、連接等設計參數的關系，在模型頻率測量和誤差分析基礎上，通過縮比模型反求修正加工，可以實現多階頻率精確保證的縮比模型制造。

　　16. 問：高性能制造中是否涉及增材制造，請問如何看待增材制造對高性能制造的貢獻?

　　郭院士：高性能制造是以性能精準保證為主要目標的制造新理念和模式，區別于傳統以精度保證為主要目標的制造模式。增材制造是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，這種方法使得過去傳統加工方式無法實現的復雜結構件制造變為可能，是高性能制造的一種重要支撐技術，也是“定量定域定式”加工的定式中的一種加工方式。加工能力的提升減少了制造約束，具有更大的可行設計域，在高性能制造的“面向制造的設計”環節，設計空間更大，容易獲得更優的設計性能，滿足更高的性能指標。因此，增材制造是實現高性能制造尤其是具有材料-結構-功能一體化特征的高性能零件制造的一個重要技術支撐。

　　17.問：高端產品大飛機的零部件制造中，關鍵部件中飛機輪胎設計制造是否可以歸結為高端或高性能制造的領域?

　　郭院士：可以的。大飛機輪胎的性能要求是非常高的，遠遠超出一般輪胎的要求，因而對輪胎的材料、設計和制造都提出了很高的要求。

　　18.問：在大尺寸晶片制造方面，未來的主要研究方向和發展趨勢體現在哪些方面?

　　郭院士：一是新型芯片技術發展出現的新材料晶圓制造，如氮化鎵、碳化硅、金剛石等非硅材料晶圓和晶片制造技術;二是高效低成本的自動化晶圓和晶片制造技術;三是少或者無缺陷的晶圓和晶片制造技術。

　　19. 問：我想了解下光刻機制造的瓶頸主要在哪?我國的光刻機發展前景如何?

　　郭院士：光刻機其實是微電子制造領域一類重大裝備的總稱，根據應用范圍分為：前道光刻機、后道光刻機、LED光刻機、面板光刻機。目前，技術難度最大的就是ASML制造的EUV光刻機，它不僅體現了很多制造技術的極限，如極紫外光源、高精度鏡頭、精密工作臺等方面都體現了制造技術的巔峰，還體現了圍繞產品的極高性能要求，多學科深度融合、科學設計和系統分析、多單位多專業頂尖科技人員長期協同合作研究的結果，而我們國家在這些方面存在明顯的差距和短板。國家對光刻機研制極其重視，國家、行業都在大力投入，人才隊伍數量和質量也在穩步提升，關鍵零部件性能也日益提高，但光刻機研制是一個極其復雜的系統工程，鏈條很長，任何一個看起來不起眼的小的環節或小的配套裝置，都可能成為系統的瓶頸，必須久久為功。我國光刻機近年來已經取得了一些突破性進展，相信在不久的將來，我們也能造出自己的高性能光刻機。

　　20.問：針對制造工藝專業，存在畢業后5年過渡現象，請問校園理論教學與工程實踐如何有機結合?

　　郭院士：任何一個專業的學生，在學校的學習，學的不僅僅是專業知識，更核心是對專業基礎知識的學習方法和能力，這里的方法指的是學習知識、運用知識分析問題解決問題的方法和能力。這些學習和運用基礎知識的方法和能力，對任何一個學生來說，都會是終身受用的。但是具體進入到某個行業的時候，肯定會有一段時間(不一定是5年)的過渡或者適應，這是正常現象。這個過渡期也恰恰就是理論學習與工程實踐的結合期，要想過渡的流暢、快速，理論教學與實踐教學在教學中就不可或缺、不可偏頗，所謂“學而不思則罔，思而不學則殆”，必須有機結合。隨著近年來國家對大學的工程實踐和創新的教育教學，以及對大學的創新實踐教學基地建設越來越重視，投入越來越大，相信人才的綜合素質會越來越高，這個過渡期也會越來越短。

　　郭東明院士簡介：

　　

 

　　郭東明，中國工程院院士，大連理工大學機械工程學院教授。高性能制造理念的倡導者，長期從事高性能制造理論、方法、技術、工藝與裝備方面研究，形成了工藝理論基礎研究與工藝裝備研發應用密切結合的研究特色，在高性能零件精密制造、難加工材料零件精密超精密加工等方面取得突出成就，主持研究出系列化制造技術及裝備，為解決國家重大工程中的關鍵制造工藝技術難題做出重要貢獻。獲國家技術發明一等獎1項、二等獎1項，國家科技進步一等獎(創新團隊)1項、二等獎1項，“十一五”國家科技計劃執行突出貢獻獎，擔任《International Journal of Extreme Manufacturing 》和《Frontiers of Mechanical Engineering》雜志主編。