李騫：金屬增材制造裝備質量可靠性探索與實踐
在2024增材制造產業發展論壇暨增材制造產業年會論壇上，工業和信息化部電子第五研究所裝備與整機研究院新業務發展部部長李騫先生，做了題目為“金屬增材制造裝備質量可靠性探索與實踐”的報告。
李騫：很榮幸今天有這個機會來參與咱們增材的一個年度盛會，和大家做一個匯報吧，我們在增材領域制造裝備，剛才也介紹了，我們和他們有一些深入的合作，他們整個可靠性平臺參與了建設，這里面我們在增材制造裝備的質量可靠性這塊近些年做了一些工作和大家做一個匯報。
首先也簡單介紹一下我們所，我們單位可能各位在座的一些專家領導也不一定特別熟悉，我們是工信部直屬的一個事業單位，研究所，本部在廣州，專門的專業從事質量可靠性相關的方向的技術研究檢驗檢測，還有一些政策的政府支撐的相關工作。
我們從建所就在廣州，將近60多年一直圍繞著質量可靠性，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各領域的核電領域等等都有一些相關的工作開展，增材制造裝備作為一個新興裝備，我們從大概有可能將近十年前開始了關注這個領域和關注一些裝備制造質量可靠性相關具體的事，做了一些東西。
今天匯報分為4個方面，首先是當前的問題，我們在近些年跟蹤過程中了解發現了一些可靠性相關的東西做一個匯報，前面增材制造發展特點我就不再介紹了，前面很多專家強調了，但是伴隨著我們的高端化、大型快速穩定，高可靠對于我們裝備來講至關重要的一個指標。我們國產裝備和國外裝備相比功能、性能、精度都沒有問題，但是我們真正存在的可能就是長期穩定性我們的可靠性，可以和國外保持一致，所以今天可靠性伴隨當前的裝備的快速發展，尤其是國產化發展之后，對可靠對于我們裝備來講至關重要的一個作用，從政策來看，近些年陸續發布政策里面都提到了國家強調制造業高質量發展，強調的整個的包括增材標準領域行動計劃，政策發展規劃，新產業的標準化領航都提出圍繞相關可靠性、穩定性、安全性開展標準的修訂，質量的提升相關工作，甚至工信部2023年發的制造業考核提升也提出了倍增的目標，工作里面專門點出包括增材制造等裝備實現在2025年之前實現產品質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工程，包含產品全壽命周期，前端的論證、設計一直到我們的生產加工，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全生命周期，從前端的設計、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目和科技部的項目就是研究不同加工工藝對最后成因質量可靠性的評價的一個影響。包括打印完的后處理到后續的驗證等等都會影響到我們的產品的質量可靠性。
同時另外角度來，標準來講，這個國內基本上是缺失的，圍繞著增材制造裝備，增材相關用的一些典型的核心零部件，包括激光器，電子槍等等，從他的標準來看對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和明確。
所以這個地方我們國內來講主要還是存在這樣的一些問題。包括了主要在研發過程當中可能有一些重性能、輕質量的問題，介紹標準空缺的問題，還有復雜的機電設備，光機電設備，里面涉及可靠性相關的技術也很多，很復雜，可靠性技術基礎、攻關角度存在一定難度的。
另外我們在整個裝備制造過程當中，我們的質量數據累計缺失現在也是行業存在一些問題的，最終作為一整套全生命周期角度來講如何從人機料法環整個全生命周期對可靠性，經濟性實現的保障，體系來講也是并不健全的。
針對以上問題，我們在工作過程中建立了一些可靠性的工作體系，可靠性工作從技術角度來講實際上包含了從管理到設計分析，到實驗驗證到數據評價，相關的一共32個工作項目，現在軍工領域、航空航天等用的更多的這32個工作項目全生命周期的全部要求開展的，但是對于我們的一些裝備來講，可靠性不是一個越可靠越好的事，是一個和成本平衡的東西。我們今年前段時間也是剛剛參加了一個家電行業的研究論壇上面做的報告，提出一個馬桶，我們現在智能馬桶從傳統馬桶轉化為智能馬桶，智能馬桶壽命多少？現在行業里面正在共同制定一個標準，超出6年之后其實沒有意義的，那么太短了，只有一兩年極大影響我們的用戶對你產品的使用的一個信心，買回家之后兩年為什么定6年，因為行業統計過，產品的家庭的裝修周期或者說絕大部分是6年，可能買學區房住6年就走了，下一個6年來了之后可能會對產品有一些更新需求。
可靠性來講不是越高越好，一定是成本平衡的，所以這個里面針對增材裝備的特點，從32個工作項目當中選出了一些從管理、設計分析、實驗驗證、評價評估，我們給出了一些推薦的，這些不一定是全部都要干的，在每個周期可選和必選的一些項目，這里給出了一些相關的建議，這里具體因為時間關系具體內容不說了。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，干成什么樣，產品壽命定成5年還是十年，首先這個目標不是亂提的，是要通過一系列的相關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行相關的管理，全生命周期的管理，規劃整個生命周期當中到底做哪些事，設計分銷怎么做？可靠性實踐怎么做？零部件供應商如何管？這方面。
有了管了之后，我們剛才講了產品可靠性是設計出來的，生產出來的，制造出來的，和我們的設計生產制造息息相關，尤其是在早期我們在設計端開展可靠性的設計分析的話可以確保我們產品基本的固有可靠性水平可以得到實現，而不是帶來后期使用之后再去迭代改進，而且前期設計開展可靠性分析成本也是最低的，里面有一些相關設計分析的一些工作項目。
到了后面就是我們的實驗的驗證，我們承諾的設計的壽命五年還是十年怎么樣驗證他，你到底有沒有達到，或者過程當中我們通過什么樣的一些工程實驗來提高我產品的可靠性，找出我的薄弱環節，進行改進之后提升產品可靠性水平，在投入使用之后通過一些收集動態評估我產品的可靠性和剩余壽命，對它的運營、維修、維保等等進行科學決策這樣的工作。
所以我們每個周期每個階段都會涵蓋包括管理、設計分析、驗證等等的工作，這里簡單的講一下。
因為時間關系設計分析不介紹了，常用的和大家介紹兩個常用的一些分析和試驗方法，首先前端的一些指標，可靠性實際上是一個可以定量的東西，我們經�？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，還是有很多的比如說間隔時間，可靠度都是衡量這方面質量好壞或者可靠性好壞具體量化指標。
量化指標通過指標開展具體評價的時候首先要有模型，常見的基本模型比較多了，串并聯，包括一些對于典型退化特征的也有一些退化的可靠性聯合概率的模型。尤其是我們像增材屬于典型的會有退化的而且機理不相關的，一般用聯合概率對產品進行可靠性模型的建立，模型基礎建立上常用的還有一些故障模式影響分析，這個可能大家如果干過都知道，從下往上我們分析出產品，從元器件零部件開始，分析出整機產品在使用過程中可能出現的故障模式以及相關的原因，同時我們會針對這些原因開展一些設計改進的措施或者使用補償，來保證使用過程當中消除他，或者影響降到最低。
另外一個常見故障數分析方法，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生原因，后面有案例介紹。
還有常見的實驗，分為兩種，一個是工程實驗，還有基于數據開展統計的實驗，對他進行驗證的，這個是研制過程中我的目標就是為了快速的曝露出產品的設計缺陷，這個里面，所以實驗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踐具體工作，以一個裝備為例子，這個都是一些科技部的項目開展的，首先在原來做了一個整機分析工作，對于整機裝備按照整個功能進行了結構層次、工作層次的建模，分析完了之后從下往上逐個的開展他的故障的模式，故障原因，然后包括了他發生這個故障之后產生的影響，對于局部到一層一層往上到最終的影響，導致我們整個裝備功能喪失或者構件質量穩定性變差等等，我們通過這個分析，裝備分析出44種故障模式，這個里面給出了圖之后，確定薄弱環節為電子槍的應急燈絲，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，出于技術手段的問題，周期問題也好，不可能每個都去做，我們要可靠性抓住一些重點，所以通過分析找出薄弱環節，針對薄弱環節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，建立他的技術模型之后，然后我們在這里面，因為里面所有對象，分布不一樣的，這個分布是壽命的分析，我們比如說這里面的工控電子產品符合指數分布，但是一些機器產品符合常見的分布，我們在這里面每個零部件的模型建立完之后，這里面根據我們所建立的電子箱基本考核模型，每個零部件的模型代入基本考核模型當中去可以得到整個電子槍的建模，同時用了一些短板原理隨機抽樣形式進行擬合，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證的一些方法對他的產品的壽命進行驗證。
這里面我們大概做了480個小時，就給出他的壽命結果，大概在400.2個小時，驗證了他產品的可靠性的水平。另外一個針對應急的燈絲的我們開展了他的具體的壽命試驗，我們采用的是實際打印過程中的實際數據進行壽命擬合，同時我們開展了一些微觀的一些失效分析，發現具體導致失效的原因。
時間問題簡單介紹一下，這里面用了自己設計的應急燈絲實驗裝置對他們開展了具體相關的實驗，得到了燈絲和槍使壓力，燈絲電流和豎流，壽命相關關系，找出特征參數之后，再結合方法對模型進行了建模，最終把核心的零部件評價完可以開展整機的評價，因為整機復雜裝備可以用上面的每個零部件得到壽命，得到他們本身壽命和可靠性分布，這里可以完成整機評價，整機評價這里面用了一個兩個方法，一個模擬現場實驗，我們包括了他的前期開展性能鑒定，做一次空載，做最后整機運行打印實驗，統計用戶使用條件當中，他們所獲得的一些數據。
這個是具體開展的一些程序，現場因為時間關系不再詳細介紹了，到點了，這里面通過鑒定完成之后，從前面的空載再到整機運行最終采用點估計或者區間估計給出產品考核性水平，這個是我們實際干的情況，最終給出產品的點估計值在568個小時，區間估計下限80%在255個小時。
另外一個就是我們也在研制過程中會這里面做了一些典型的加速對話的實驗，我們不在用更長的時間，用一些比較高的應力，短時間得到一個長時間的結果，有可能只做了一百個小時，可以得到一千個小時的結論，這個是我們針對激光器開展的加速退化的實驗，這里面通過一些分析他的相關的一些退化模型，找出退化模型，找出閾值根據模型計算出他的等效加速時間開展具體實驗。
這個是我們的具體例子。最后我們通過加速原始數據處理完之后得到了模型進行補全之后，最終找出設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個小時。
我們實際上具體的實驗時間沒有做這么長，所以暫時加速的一個，另外一個掃描的壽命試驗，加速來做的。這個我具體的時間關系不再介紹了。
這個是我們在科工局下面做的一個3D打印的渦輪盤，發動機里面的渦輪盤，當時提出的壽命要求，我們也是進行了一個相關通過仿真、實際實驗，零件級的疲勞壽命進行了驗證，在最終計算出給出了渦輪盤疲勞可靠度，運行多久可靠度還有多少，0.95還是0.8，給出這樣一個相關考核度計算的方法，給出了材料級的壽命預測的模型。
時間關系匯報到這里，歡迎大家有機會去我們所里參考指導，希望和各位專家將來有機會進一步探討和合作，謝謝大家。
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