李騫：金屬增材制造裝備質(zhì)量可靠性探索與實(shí)踐

在2024增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)論壇上,，工業(yè)和信息化部電子第五研究所裝備與整機(jī)研究院新業(yè)務(wù)發(fā)展部部長(zhǎng)李騫先生，做了題目為“金屬增材制造裝備質(zhì)量可靠性探索與實(shí)踐”的報(bào)告,。

李騫：很榮幸今天有這個(gè)機(jī)會(huì)來參與咱們?cè)霾牡囊粋�(gè)年度盛會(huì),，和大家做一個(gè)匯報(bào)吧，我們?cè)谠霾念I(lǐng)域制造裝備,，剛才也介紹了,，我們和他們有一些深入的合作，他們整個(gè)可靠性平臺(tái)參與了建設(shè),，這里面我們?cè)谠霾闹圃煅b備的質(zhì)量可靠性這塊近些年做了一些工作和大家做一個(gè)匯報(bào),。

首先也簡(jiǎn)單介紹一下我們所，我們單位可能各位在座的一些專家領(lǐng)導(dǎo)也不一定特別熟悉,，我們是工信部直屬的一個(gè)事業(yè)單位,，研究所，本部在廣州,，專門的專業(yè)從事質(zhì)量可靠性相關(guān)的方向的技術(shù)研究檢驗(yàn)檢測(cè),，還有一些政策的政府支撐的相關(guān)工作,。

我們從建所就在廣州，將近60多年一直圍繞著質(zhì)量可靠性,，從軍工干到家電裝備,，我們的民用裝備，我們的汽車,，然后我們常見的整個(gè)各領(lǐng)域的核電領(lǐng)域等等都有一些相關(guān)的工作開展,，增材制造裝備作為一個(gè)新興裝備，我們從大概有可能將近十年前開始了關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域和關(guān)注一些裝備制造質(zhì)量可靠性相關(guān)具體的事,，做了一些東西,。

今天匯報(bào)分為4個(gè)方面，首先是當(dāng)前的問題,，我們?cè)诮�些年跟蹤過程中了解發(fā)現(xiàn)了一些可靠性相關(guān)的東西做一個(gè)匯報(bào),，前面增材制造發(fā)展特點(diǎn)我就不再介紹了，前面很多專家強(qiáng)調(diào)了,，但是伴隨著我們的高端化,、大型快速穩(wěn)定，高可靠對(duì)于我們裝備來講至關(guān)重要的一個(gè)指標(biāo),。我們國(guó)產(chǎn)裝備和國(guó)外裝備相比功能,、性能、精度都沒有問題,，但是我們真正存在的可能就是長(zhǎng)期穩(wěn)定性我們的可靠性,，可以和國(guó)外保持一致，所以今天可靠性伴隨當(dāng)前的裝備的快速發(fā)展,，尤其是國(guó)產(chǎn)化發(fā)展之后,，對(duì)可靠對(duì)于我們裝備來講至關(guān)重要的一個(gè)作用，從政策來看,，近些年陸續(xù)發(fā)布政策里面都提到了國(guó)家強(qiáng)調(diào)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,，強(qiáng)調(diào)的整個(gè)的包括增材標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域行動(dòng)計(jì)劃，政策發(fā)展規(guī)劃,，新產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)航都提出圍繞相關(guān)可靠性,、穩(wěn)定性、安全性開展標(biāo)準(zhǔn)的修訂,，質(zhì)量的提升相關(guān)工作,，甚至工信部2023年發(fā)的制造業(yè)考核提升也提出了倍增的目標(biāo)，工作里面專門點(diǎn)出包括增材制造等裝備實(shí)現(xiàn)在2025年之前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的水平的倍增,。

那么影響到底什么因素,？我們講可靠性是系統(tǒng)工程，包含產(chǎn)品全壽命周期,，前端的論證,、設(shè)計(jì)一直到我們的生產(chǎn)加工,，到制造，最后的服役使用,，增材來講我們也是涵蓋了增材制造的整個(gè)全生命周期,，從前端的設(shè)計(jì)、材料,、加工工藝可靠性影響，今天還拿過后面介紹科工局的項(xiàng)目和科技部的項(xiàng)目就是研究不同加工工藝對(duì)最后成因質(zhì)量可靠性的評(píng)價(jià)的一個(gè)影響,。包括打印完的后處理到后續(xù)的驗(yàn)證等等都會(huì)影響到我們的產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性,。

同時(shí)另外角度來，標(biāo)準(zhǔn)來講,，這個(gè)國(guó)內(nèi)基本上是缺失的,，圍繞著增材制造裝備，增材相關(guān)用的一些典型的核心零部件,，包括激光器,，電子槍等等，從他的標(biāo)準(zhǔn)來看對(duì)可靠性來講基本上絕大部分是空缺的,，至少是有但是說的也不是特別的詳細(xì)和明確,。

所以這個(gè)地方我們國(guó)內(nèi)來講主要還是存在這樣的一些問題。包括了主要在研發(fā)過程當(dāng)中可能有一些重性能,、輕質(zhì)量的問題,，介紹標(biāo)準(zhǔn)空缺的問題，還有復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備,，光機(jī)電設(shè)備,，里面涉及可靠性相關(guān)的技術(shù)也很多，很復(fù)雜,，可靠性技術(shù)基礎(chǔ),、攻關(guān)角度存在一定難度的。

另外我們?cè)谡麄�(gè)裝備制造過程當(dāng)中,，我們的質(zhì)量數(shù)據(jù)累計(jì)缺失現(xiàn)在也是行業(yè)存在一些問題的,，最終作為一整套全生命周期角度來講如何從人機(jī)料法環(huán)整個(gè)全生命周期對(duì)可靠性，經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)的保障,，體系來講也是并不健全的,。

針對(duì)以上問題，我們?cè)诠ぷ鬟^程中建立了一些可靠性的工作體系,，可靠性工作從技術(shù)角度來講實(shí)際上包含了從管理到設(shè)計(jì)分析,，到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，相關(guān)的一共32個(gè)工作項(xiàng)目,，現(xiàn)在軍工領(lǐng)域,、航空航天等用的更多的這32個(gè)工作項(xiàng)目全生命周期的全部要求開展的,，但是對(duì)于我們的一些裝備來講，可靠性不是一個(gè)越可靠越好的事,，是一個(gè)和成本平衡的東西,。我們今年前段時(shí)間也是剛剛參加了一個(gè)家電行業(yè)的研究論壇上面做的報(bào)告，提出一個(gè)馬桶,，我們現(xiàn)在智能馬桶從傳統(tǒng)馬桶轉(zhuǎn)化為智能馬桶,，智能馬桶壽命多少？現(xiàn)在行業(yè)里面正在共同制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),，超出6年之后其實(shí)沒有意義的,，那么太短了，只有一兩年極大影響我們的用戶對(duì)你產(chǎn)品的使用的一個(gè)信心,，買回家之后兩年為什么定6年,，因?yàn)樾袠I(yè)統(tǒng)計(jì)過，產(chǎn)品的家庭的裝修周期或者說絕大部分是6年,，可能買學(xué)區(qū)房住6年就走了,，下一個(gè)6年來了之后可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品有一些更新需求。

可靠性來講不是越高越好,，一定是成本平衡的,，所以這個(gè)里面針對(duì)增材裝備的特點(diǎn)，從32個(gè)工作項(xiàng)目當(dāng)中選出了一些從管理,、設(shè)計(jì)分析,、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、評(píng)價(jià)評(píng)估,，我們給出了一些推薦的,，這些不一定是全部都要干的，在每個(gè)周期可選和必選的一些項(xiàng)目,，這里給出了一些相關(guān)的建議,，這里具體因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系具體內(nèi)容不說了。包括了一些前期的要求確定,，你可靠性要去干一定要有目標(biāo),，干成什么樣，產(chǎn)品壽命定成5年還是十年,，首先這個(gè)目標(biāo)不是亂提的,，是要通過一系列的相關(guān)的論證來去確定了可靠性的要求，那么有了要求之后可靠性進(jìn)行相關(guān)的管理,，全生命周期的管理,，規(guī)劃整個(gè)生命周期當(dāng)中到底做哪些事，設(shè)計(jì)分銷怎么做,？可靠性實(shí)踐怎么做,？零部件供應(yīng)商如何管,？這方面。

有了管了之后,，我們剛才講了產(chǎn)品可靠性是設(shè)計(jì)出來的,，生產(chǎn)出來的，制造出來的,，和我們的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造息息相關(guān),，尤其是在早期我們?cè)谠O(shè)計(jì)端開展可靠性的設(shè)計(jì)分析的話可以確保我們產(chǎn)品基本的固有可靠性水平可以得到實(shí)現(xiàn)，而不是帶來后期使用之后再去迭代改進(jìn),，而且前期設(shè)計(jì)開展可靠性分析成本也是最低的,，里面有一些相關(guān)設(shè)計(jì)分析的一些工作項(xiàng)目。

到了后面就是我們的實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,，我們承諾的設(shè)計(jì)的壽命五年還是十年怎么樣驗(yàn)證他，你到底有沒有達(dá)到,，或者過程當(dāng)中我們通過什么樣的一些工程實(shí)驗(yàn)來提高我產(chǎn)品的可靠性,，找出我的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行改進(jìn)之后提升產(chǎn)品可靠性水平,，在投入使用之后通過一些收集動(dòng)態(tài)評(píng)估我產(chǎn)品的可靠性和剩余壽命,，對(duì)它的運(yùn)營(yíng)、維修,、維保等等進(jìn)行科學(xué)決策這樣的工作,。

所以我們每個(gè)周期每個(gè)階段都會(huì)涵蓋包括管理、設(shè)計(jì)分析,、驗(yàn)證等等的工作,，這里簡(jiǎn)單的講一下。

因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系設(shè)計(jì)分析不介紹了,，常用的和大家介紹兩個(gè)常用的一些分析和試驗(yàn)方法,，首先前端的一些指標(biāo)，可靠性實(shí)際上是一個(gè)可以定量的東西,，我們經(jīng)�,？赡艽蠹伊私獾谋容^多的比如說壽命，我們常見的可靠性的指標(biāo),，還是有很多的比如說間隔時(shí)間,，可靠度都是衡量這方面質(zhì)量好壞或者可靠性好壞具體量化指標(biāo)。

量化指標(biāo)通過指標(biāo)開展具體評(píng)價(jià)的時(shí)候首先要有模型,，常見的基本模型比較多了,，串并聯(lián)，包括一些對(duì)于典型退化特征的也有一些退化的可靠性聯(lián)合概率的模型,。尤其是我們像增材屬于典型的會(huì)有退化的而且機(jī)理不相關(guān)的,，一般用聯(lián)合概率對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性模型的建立,，模型基礎(chǔ)建立上常用的還有一些故障模式影響分析，這個(gè)可能大家如果干過都知道,，從下往上我們分析出產(chǎn)品,，從元器件零部件開始，分析出整機(jī)產(chǎn)品在使用過程中可能出現(xiàn)的故障模式以及相關(guān)的原因,，同時(shí)我們會(huì)針對(duì)這些原因開展一些設(shè)計(jì)改進(jìn)的措施或者使用補(bǔ)償,，來保證使用過程當(dāng)中消除他，或者影響降到最低,。

另外一個(gè)常見故障數(shù)分析方法,，和其相反的是從上往下分析，找出了一些典型故障之后找出故障發(fā)生原因,，后面有案例介紹,。

還有常見的實(shí)驗(yàn)，分為兩種,，一個(gè)是工程實(shí)驗(yàn),，還有基于數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)他進(jìn)行驗(yàn)證的,，這個(gè)是研制過程中我的目標(biāo)就是為了快速的曝露出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷,，這個(gè)里面，所以實(shí)驗(yàn)方法可以多樣不受限制,。

最后花幾分鐘介紹一下我們這幾年開展的實(shí)踐具體工作,，以一個(gè)裝備為例子，這個(gè)都是一些科技部的項(xiàng)目開展的,，首先在原來做了一個(gè)整機(jī)分析工作,，對(duì)于整機(jī)裝備按照整個(gè)功能進(jìn)行了結(jié)構(gòu)層次、工作層次的建模,，分析完了之后從下往上逐個(gè)的開展他的故障的模式,，故障原因，然后包括了他發(fā)生這個(gè)故障之后產(chǎn)生的影響,，對(duì)于局部到一層一層往上到最終的影響,，導(dǎo)致我們整個(gè)裝備功能喪失或者構(gòu)件質(zhì)量穩(wěn)定性變差等等，我們通過這個(gè)分析,，裝備分析出44種故障模式,，這個(gè)里面給出了圖之后，確定薄弱環(huán)節(jié)為電子槍的應(yīng)急燈絲,，我們可靠性在開展工作過程中不可能出于成本的問題也好,，出于技術(shù)手段的問題，周期問題也好，不可能每個(gè)都去做,，我們要可靠性抓住一些重點(diǎn),，所以通過分析找出薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)開展一些考核性的具體分析,。比如說電子箱開始首先建立電子箱的可靠性的模型,，包括分解開始，建立他的技術(shù)模型之后,，然后我們?cè)谶@里面,，因?yàn)槔锩嫠�有�?duì)象，分布不一樣的,，這個(gè)分布是壽命的分析,，我們比如說這里面的工控電子產(chǎn)品符合指數(shù)分布，但是一些機(jī)器產(chǎn)品符合常見的分布,，我們?cè)谶@里面每個(gè)零部件的模型建立完之后,，這里面根據(jù)我們所建立的電子箱基本考核模型，每個(gè)零部件的模型代入基本考核模型當(dāng)中去可以得到整個(gè)電子槍的建模,，同時(shí)用了一些短板原理隨機(jī)抽樣形式進(jìn)行擬合,，得到概率失效概率密度曲線，基于模型可以選定一些可靠性驗(yàn)證的一些方法對(duì)他的產(chǎn)品的壽命進(jìn)行驗(yàn)證,。

這里面我們大概做了480個(gè)小時(shí)，就給出他的壽命結(jié)果,，大概在400.2個(gè)小時(shí),，驗(yàn)證了他產(chǎn)品的可靠性的水平。另外一個(gè)針對(duì)應(yīng)急的燈絲的我們開展了他的具體的壽命試驗(yàn),，我們采用的是實(shí)際打印過程中的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命擬合,，同時(shí)我們開展了一些微觀的一些失效分析，發(fā)現(xiàn)具體導(dǎo)致失效的原因,。

時(shí)間問題簡(jiǎn)單介紹一下,，這里面用了自己設(shè)計(jì)的應(yīng)急燈絲實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)他們開展了具體相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，得到了燈絲和槍使壓力,，燈絲電流和豎流,，壽命相關(guān)關(guān)系，找出特征參數(shù)之后,，再結(jié)合方法對(duì)模型進(jìn)行了建模,，最終把核心的零部件評(píng)價(jià)完可以開展整機(jī)的評(píng)價(jià)，因?yàn)檎麢C(jī)復(fù)雜裝備可以用上面的每個(gè)零部件得到壽命,，得到他們本身壽命和可靠性分布,，這里可以完成整機(jī)評(píng)價(jià)，整機(jī)評(píng)價(jià)這里面用了一個(gè)兩個(gè)方法，一個(gè)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),，我們包括了他的前期開展性能鑒定,，做一次空載，做最后整機(jī)運(yùn)行打印實(shí)驗(yàn),，統(tǒng)計(jì)用戶使用條件當(dāng)中,，他們所獲得的一些數(shù)據(jù)。

這個(gè)是具體開展的一些程序,，現(xiàn)場(chǎng)因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系不再詳細(xì)介紹了,，到點(diǎn)了，這里面通過鑒定完成之后,，從前面的空載再到整機(jī)運(yùn)行最終采用點(diǎn)估計(jì)或者區(qū)間估計(jì)給出產(chǎn)品考核性水平,，這個(gè)是我們實(shí)際干的情況，最終給出產(chǎn)品的點(diǎn)估計(jì)值在568個(gè)小時(shí),，區(qū)間估計(jì)下限80%在255個(gè)小時(shí),。

另外一個(gè)就是我們也在研制過程中會(huì)這里面做了一些典型的加速對(duì)話的實(shí)驗(yàn)，我們不在用更長(zhǎng)的時(shí)間,，用一些比較高的應(yīng)力,，短時(shí)間得到一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)果，有可能只做了一百個(gè)小時(shí),，可以得到一千個(gè)小時(shí)的結(jié)論,，這個(gè)是我們針對(duì)激光器開展的加速退化的實(shí)驗(yàn)，這里面通過一些分析他的相關(guān)的一些退化模型,，找出退化模型,，找出閾值根據(jù)模型計(jì)算出他的等效加速時(shí)間開展具體實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)是我們的具體例子,。最后我們通過加速原始數(shù)據(jù)處理完之后得到了模型進(jìn)行補(bǔ)全之后,，最終找出設(shè)定為閾值為光功率下降15%定義為失效，最終給出的激光器的壽命2480個(gè)小時(shí),。

我們實(shí)際上具體的實(shí)驗(yàn)時(shí)間沒有做這么長(zhǎng),，所以暫時(shí)加速的一個(gè)，另外一個(gè)掃描的壽命試驗(yàn),，加速來做的,。這個(gè)我具體的時(shí)間關(guān)系不再介紹了。

這個(gè)是我們?cè)诳乒ぞ窒旅孀龅囊粋�(gè)3D打印的渦輪盤,，發(fā)動(dòng)機(jī)里面的渦輪盤,，當(dāng)時(shí)提出的壽命要求，我們也是進(jìn)行了一個(gè)相關(guān)通過仿真,、實(shí)際實(shí)驗(yàn),，零件級(jí)的疲勞壽命進(jìn)行了驗(yàn)證，在最終計(jì)算出給出了渦輪盤疲勞可靠度，運(yùn)行多久可靠度還有多少,，0.95還是0.8,，給出這樣一個(gè)相關(guān)考核度計(jì)算的方法，給出了材料級(jí)的壽命預(yù)測(cè)的模型,。

時(shí)間關(guān)系匯報(bào)到這里,，歡迎大家有機(jī)會(huì)去我們所里參考指導(dǎo)，希望和各位專家將來有機(jī)會(huì)進(jìn)一步探討和合作,，謝謝大家,。