李骞：金属增材制造装备质量可靠性探索与实践

在2024增材制造产业发展论坛暨增材制造产业年会论坛上，工业和信息化部电子第五研究所装备与整机研究院新业务发展部部长李骞先生，做了题目为“金属增材制造装备质量可靠性探索与实践”的报告。

李骞：很荣幸今天有这个机会来参与咱们增材的一个年度盛会，和大家做一个汇报吧，我们在增材领域制造装备，刚才也介绍了，我们和他们有一些深入的合作，他们整个可靠性平台参与了建设，这里面我们在增材制造装备的质量可靠性这块近些年做了一些工作和大家做一个汇报。

首先也简单介绍一下我们所，我们单位可能各位在座的一些专家领导也不一定特别熟悉，我们是工信部直属的一个事业单位，研究所，本部在广州，专门的专业从事质量可靠性相关的方向的技术研究检验检测，还有一些政策的政府支撑的相关工作。

我们从建所就在广州，将近60多年一直围绕着质量可靠性，从军工干到家电装备，我们的民用装备，我们的汽车，然后我们常见的整个各领域的核电领域等等都有一些相关的工作开展，增材制造装备作为一个新兴装备，我们从大概有可能将近十年前开始了关注这个领域和关注一些装备制造质量可靠性相关具体的事，做了一些东西。

今天汇报分为4个方面，首先是当前的问题，我们在近些年跟踪过程中了解发现了一些可靠性相关的东西做一个汇报，前面增材制造发展特点我就不再介绍了，前面很多专家强调了，但是伴随着我们的高端化、大型快速稳定，高可靠对于我们装备来讲至关重要的一个指标。我们国产装备和国外装备相比功能、性能、精度都没有问题，但是我们真正存在的可能就是长期稳定性我们的可靠性，可以和国外保持一致，所以今天可靠性伴随当前的装备的快速发展，尤其是国产化发展之后，对可靠对于我们装备来讲至关重要的一个作用，从政策来看，近些年陆续发布政策里面都提到了国家强调制造业高质量发展，强调的整个的包括增材标准领域行动计划，政策发展规划，新产业的标准化领航都提出围绕相关可靠性、稳定性、安全性开展标准的修订，质量的提升相关工作，甚至工信部2023年发的制造业考核提升也提出了倍增的目标，工作里面专门点出包括增材制造等装备实现在2025年之前实现产品质量可靠性的水平的倍增。

那么影响到底什么因素？我们讲可靠性是系统工程，包含产品全寿命周期，前端的论证、设计一直到我们的生产加工，到制造，最后的服役使用，增材来讲我们也是涵盖了增材制造的整个全生命周期，从前端的设计、材料、加工工艺可靠性影响，今天还拿过后面介绍科工局的项目和科技部的项目就是研究不同加工工艺对最后成因质量可靠性的评价的一个影响。包括打印完的后处理到后续的验证等等都会影响到我们的产品的质量可靠性。

同时另外角度来，标准来讲，这个国内基本上是缺失的，围绕着增材制造装备，增材相关用的一些典型的核心零部件，包括激光器，电子枪等等，从他的标准来看对可靠性来讲基本上绝大部分是空缺的，至少是有但是说的也不是特别的详细和明确。

所以这个地方我们国内来讲主要还是存在这样的一些问题。包括了主要在研发过程当中可能有一些重性能、轻质量的问题，介绍标准空缺的问题，还有复杂的机电设备，光机电设备，里面涉及可靠性相关的技术也很多，很复杂，可靠性技术基础、攻关角度存在一定难度的。

另外我们在整个装备制造过程当中，我们的质量数据累计缺失现在也是行业存在一些问题的，最终作为一整套全生命周期角度来讲如何从人机料法环整个全生命周期对可靠性，经济性实现的保障，体系来讲也是并不健全的。

针对以上问题，我们在工作过程中建立了一些可靠性的工作体系，可靠性工作从技术角度来讲实际上包含了从管理到设计分析，到实验验证到数据评价，相关的一共32个工作项目，现在军工领域、航空航天等用的更多的这32个工作项目全生命周期的全部要求开展的，但是对于我们的一些装备来讲，可靠性不是一个越可靠越好的事，是一个和成本平衡的东西。我们今年前段时间也是刚刚参加了一个家电行业的研究论坛上面做的报告，提出一个马桶，我们现在智能马桶从传统马桶转化为智能马桶，智能马桶寿命多少？现在行业里面正在共同制定一个标准，超出6年之后其实没有意义的，那么太短了，只有一两年极大影响我们的用户对你产品的使用的一个信心，买回家之后两年为什么定6年，因为行业统计过，产品的家庭的装修周期或者说绝大部分是6年，可能买学区房住6年就走了，下一个6年来了之后可能会对产品有一些更新需求。

可靠性来讲不是越高越好，一定是成本平衡的，所以这个里面针对增材装备的特点，从32个工作项目当中选出了一些从管理、设计分析、实验验证、评价评估，我们给出了一些推荐的，这些不一定是全部都要干的，在每个周期可选和必选的一些项目，这里给出了一些相关的建议，这里具体因为时间关系具体内容不说了。包括了一些前期的要求确定，你可靠性要去干一定要有目标，干成什么样，产品寿命定成5年还是十年，首先这个目标不是乱提的，是要通过一系列的相关的论证来去确定了可靠性的要求，那么有了要求之后可靠性进行相关的管理，全生命周期的管理，规划整个生命周期当中到底做哪些事，设计分销怎么做？可靠性实践怎么做？零部件供应商如何管？这方面。

有了管了之后，我们刚才讲了产品可靠性是设计出来的，生产出来的，制造出来的，和我们的设计生产制造息息相关，尤其是在早期我们在设计端开展可靠性的设计分析的话可以确保我们产品基本的固有可靠性水平可以得到实现，而不是带来后期使用之后再去迭代改进，而且前期设计开展可靠性分析成本也是最低的，里面有一些相关设计分析的一些工作项目。

到了后面就是我们的实验的验证，我们承诺的设计的寿命五年还是十年怎么样验证他，你到底有没有达到，或者过程当中我们通过什么样的一些工程实验来提高我产品的可靠性，找出我的薄弱环节，进行改进之后提升产品可靠性水平，在投入使用之后通过一些收集动态评估我产品的可靠性和剩余寿命，对它的运营、维修、维保等等进行科学决策这样的工作。

所以我们每个周期每个阶段都会涵盖包括管理、设计分析、验证等等的工作，这里简单的讲一下。

因为时间关系设计分析不介绍了，常用的和大家介绍两个常用的一些分析和试验方法，首先前端的一些指标，可靠性实际上是一个可以定量的东西，我们经常可能大家了解的比较多的比如说寿命，我们常见的可靠性的指标，还是有很多的比如说间隔时间，可靠度都是衡量这方面质量好坏或者可靠性好坏具体量化指标。

量化指标通过指标开展具体评价的时候首先要有模型，常见的基本模型比较多了，串并联，包括一些对于典型退化特征的也有一些退化的可靠性联合概率的模型。尤其是我们像增材属于典型的会有退化的而且机理不相关的，一般用联合概率对产品进行可靠性模型的建立，模型基础建立上常用的还有一些故障模式影响分析，这个可能大家如果干过都知道，从下往上我们分析出产品，从元器件零部件开始，分析出整机产品在使用过程中可能出现的故障模式以及相关的原因，同时我们会针对这些原因开展一些设计改进的措施或者使用补偿，来保证使用过程当中消除他，或者影响降到最低。

另外一个常见故障数分析方法，和其相反的是从上往下分析，找出了一些典型故障之后找出故障发生原因，后面有案例介绍。

还有常见的实验，分为两种，一个是工程实验，还有基于数据开展统计的实验，对他进行验证的，这个是研制过程中我的目标就是为了快速的曝露出产品的设计缺陷，这个里面，所以实验方法可以多样不受限制。

最后花几分钟介绍一下我们这几年开展的实践具体工作，以一个装备为例子，这个都是一些科技部的项目开展的，首先在原来做了一个整机分析工作，对于整机装备按照整个功能进行了结构层次、工作层次的建模，分析完了之后从下往上逐个的开展他的故障的模式，故障原因，然后包括了他发生这个故障之后产生的影响，对于局部到一层一层往上到最终的影响，导致我们整个装备功能丧失或者构件质量稳定性变差等等，我们通过这个分析，装备分析出44种故障模式，这个里面给出了图之后，确定薄弱环节为电子枪的应急灯丝，我们可靠性在开展工作过程中不可能出于成本的问题也好，出于技术手段的问题，周期问题也好，不可能每个都去做，我们要可靠性抓住一些重点，所以通过分析找出薄弱环节，针对薄弱环节开展一些考核性的具体分析。比如说电子箱开始首先建立电子箱的可靠性的模型，包括分解开始，建立他的技术模型之后，然后我们在这里面，因为里面所有对象，分布不一样的，这个分布是寿命的分析，我们比如说这里面的工控电子产品符合指数分布，但是一些机器产品符合常见的分布，我们在这里面每个零部件的模型建立完之后，这里面根据我们所建立的电子箱基本考核模型，每个零部件的模型代入基本考核模型当中去可以得到整个电子枪的建模，同时用了一些短板原理随机抽样形式进行拟合，得到概率失效概率密度曲线，基于模型可以选定一些可靠性验证的一些方法对他的产品的寿命进行验证。

这里面我们大概做了480个小时，就给出他的寿命结果，大概在400.2个小时，验证了他产品的可靠性的水平。另外一个针对应急的灯丝的我们开展了他的具体的寿命试验，我们采用的是实际打印过程中的实际数据进行寿命拟合，同时我们开展了一些微观的一些失效分析，发现具体导致失效的原因。

时间问题简单介绍一下，这里面用了自己设计的应急灯丝实验装置对他们开展了具体相关的实验，得到了灯丝和枪使压力，灯丝电流和竖流，寿命相关关系，找出特征参数之后，再结合方法对模型进行了建模，最终把核心的零部件评价完可以开展整机的评价，因为整机复杂装备可以用上面的每个零部件得到寿命，得到他们本身寿命和可靠性分布，这里可以完成整机评价，整机评价这里面用了一个两个方法，一个模拟现场实验，我们包括了他的前期开展性能鉴定，做一次空载，做最后整机运行打印实验，统计用户使用条件当中，他们所获得的一些数据。

这个是具体开展的一些程序，现场因为时间关系不再详细介绍了，到点了，这里面通过鉴定完成之后，从前面的空载再到整机运行最终采用点估计或者区间估计给出产品考核性水平，这个是我们实际干的情况，最终给出产品的点估计值在568个小时，区间估计下限80%在255个小时。

另外一个就是我们也在研制过程中会这里面做了一些典型的加速对话的实验，我们不在用更长的时间，用一些比较高的应力，短时间得到一个长时间的结果，有可能只做了一百个小时，可以得到一千个小时的结论，这个是我们针对激光器开展的加速退化的实验，这里面通过一些分析他的相关的一些退化模型，找出退化模型，找出阈值根据模型计算出他的等效加速时间开展具体实验。

这个是我们的具体例子。最后我们通过加速原始数据处理完之后得到了模型进行补全之后，最终找出设定为阈值为光功率下降15%定义为失效，最终给出的激光器的寿命2480个小时。

我们实际上具体的实验时间没有做这么长，所以暂时加速的一个，另外一个扫描的寿命试验，加速来做的。这个我具体的时间关系不再介绍了。

这个是我们在科工局下面做的一个3D打印的涡轮盘，发动机里面的涡轮盘，当时提出的寿命要求，我们也是进行了一个相关通过仿真、实际实验，零件级的疲劳寿命进行了验证，在最终计算出给出了涡轮盘疲劳可靠度，运行多久可靠度还有多少，0.95还是0.8，给出这样一个相关考核度计算的方法，给出了材料级的寿命预测的模型。

时间关系汇报到这里，欢迎大家有机会去我们所里参考指导，希望和各位专家将来有机会进一步探讨和合作，谢谢大家。