新加坡国立大学重庆研究院

NUS (Chongqing) Research Institute

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研发中心

先进制造与材料中心

“工业4.0”发轫于第四次工业革命 – 承接之前的机械生产、批量生产以及信息化生产。在信息化浪潮中由于计算机、自动化技术发展而产生的自动化及智能系统,将在第四次工业革命中借助大数据和机器学习得到进一步发展。具体而言,软件系统、硬件设备以及操作人员的整合提高了工业生产中各个系统的生产效率、可靠性和信息传递速率。“工业 4.0“中的制造系统可以进一步提高产品质量、生产效率和生产灵活性,有助于实现产品可持续、大规模的定制化生产,并且提高资源利用率,降低生产损耗。为了确保成功实现工业4.0,先进材料将在设计和制造适用于先进制造的先进材料中发挥重要作用。

该跨学科项目研发团队由具备设计、制造、化学、材料和计算等多领域背景的科研成员组成。项目将助力中国(特别是重庆地区)“工业 4.0“技术的更快发展。该项目旨在开发集成化平台解决方案,以连接现有的制造设备(如增材制造平台和CNC加工中心),从而形成快速响应智能制造系统,用于服务汽车、航空航天、精密工程、再制造、医疗和消费等领域中的高附加值零件制造。该项目将利用物联网、数字孪生、机器学习等相关新兴技术来实现软件系统、硬件设备及操作人员的无缝化整合,以期在未来进一步促进先进制造技术的发展。

该研发中心将建立全面系统的界面科学和工程研究的大型平台及完整的科研梯队。从原子、分子尺度上研究电荷传输现象,深化缺陷结构与界面电荷转移和催化反应的机理、物理化学现象的认知,最终解决先进纳米结构材料、纳米功能材料所面临的关键科学问题。研发高性能纳米结构材料、纳米功能材料、二维材料、介孔材料、新型界面复合材料和高效催化材料、以及新型电化学材料,最终目标是指导先进纳米材料在先进制造、特殊传感器、先进医疗装备、卫生保健、再生洁净能源和环境保护及治理、以及能量转换与存储等领域的应用。

该项目是由新加坡国立大学重庆研究院(NUSRI-CQ)牵头的先进制造和材料(AMM)合作研发和教育计划,汇集了设计,制造,化学,材料和计算等跨学科领域的专家。该研究将由新加坡国立大学工程学院和理学院的研究人员与重庆及全国的研究机构和产业合作进行。

该研究项目涵盖以下四个专题:

混合加工工艺CAD/CAM/数字孪生多功能工具集成平台 (Layer 2, Link 1)

高附加值产品全生命周期集成化数值制造主线平台 (Layer 2, Link 2)

先进制造和材料合成中物理化学过程的高精度数值模拟 (Layer 2, Link 3)

先进结构和功能材料 (Layer 2, Link 4)

混合加工工艺CAD/CAM/数字孪生多功能工具集成平台

首席研究员 张云峰

现代制造业中高附加值零件具有产量低、种类繁多且几何形状复杂的特点。高附加值零件的传统制造方法使用多轴加工铣削直接处理毛坯,耗时且昂贵。激光熔覆技术(同步送粉、送丝)为高附加值零件的制造提供了高灵活度和高加工性能的制造方案,提高了材料利用率和设计自由度。激光熔覆和五轴铣削精加工构成的混合加工模型,有效实现了零件的增减材制造一体化工艺链。然而,现有的制造工艺规划和控制过度依赖实际生产经验,且很大程度上取决于操作员,从而影响了零件的质量稳定性和生产效率。因此,为提高决策可靠性并发挥混合加工最大潜力,开发与CAD/CAM/数字孪生技术相关的智能化软件工具显得尤为迫切。

该子项目旨在开发一套综合性混合加工智能软件工具,以助力混合加工的运行。首先,项目将设计一套支持混合加工集成化软件框架;其次,项目将基于机器学习和优化算法来开发相应工具,实现CAD/CAM/数字孪生中的自动化决策。其中,CAD工具支持模型的自动化切片及基于特征的单层扫描路径自动生成;激光熔覆CAM(CAM/AM)工具支持喷嘴路径、机器人G代码自动生成;五轴加工CAM工具(CAM/CNC)支持刀具自动选择和五轴铣削刀具路径自动生成;数字孪生工具将包含热分析有限元模型和在线监测控制算法;热分析有限元模型将根据机器人扫描路径和工艺参数来模拟熔覆过程的温度场演化,进而预测零件质量;在线监测控制算法将使用热传感器实时监测熔覆过程并调节工艺参数以提高零件质量。

高附加值产品全生命周期集成化数值制造主线平台

首席研究员 卢文锋,傅盈西

产品全生命周期包挂产品设计,制造及回收。增材制造或三维打印为数值化产品设计特征为数值化制造提供了新的机遇。增材制造解除了传统制造对制造工艺的诸多限制,进而改变了制造商对产品生命周期,再制造,和物流供应链的思维模式。产品数值化主线包含产品的设计、生产与分配,甚至产品的寿命终止或报废,是产品数字化制造和全生命周期设计的基础。由于产品构思与设计是产品生命周期的第一步,并且在增材制造中享有极大的自由度,因而产品的可制造性设计对于复杂形状高附加值零件和产品的制造至关重要。

该子项目旨在开发激光熔覆和铣削混合加工数字主线平台,涵盖产品设计到寿命终止的全生命周期数据链。平台使用混合可制造性设计(DfHM),在数值化环境中提供有效产品设计、制造,物流和供应方案。数值化主线平台将包含如下一系列模块,并通过统一的数据链实现产品的全生命周期设计,a)混合可制造性设计(DfHM),b)可制造性评估和c)寿命终止评估。混合可制造性设计(DfHM)模块将包含有拓扑优化、单元结构设计及功能梯度材料设计的计算模型。其中,计算模型还能够支持在微尺度和中尺度内的多维度复杂性和功能梯度材料的单元结构设计;可制造性模块将评估制造约束,如在混合可制造性设计模块中得出的最小特征尺寸;寿命终止评估模块将设计零件的寿命终止评估指标。数值化主线平台将提高高附加值产品的设计灵活性,通过集成产品设计、制造和寿命终止模块为制造商提供即时需求响应,进而实现“工业 4.0“中高端的产品制造方式。 

先进制造和材料合成中物理化学过程的高精度数值模拟

首席研究员 张黄伟

先进制造旨在通过开发新颖的技术来增强产品设计和生产,从而满足特定的应用需求。在这些技术创新的背后,存在着各种与先进制造过程或者材料合成处理相对应的物理和化学过程。例如激光熔覆技术中的金属粉末熔化和熔化,新型纳米结构的合成以及通过新颖技术的功能性涂层。因此,对先进制造和材料科学中的物理化学过程的透彻了解对于成功实施工业4.0的技术创新至关重要。

在此子项目中,我们将开发高精度的数学算法和稳健的软件工具,以模拟先进制造和材料科学中存在的物理和化学过程。我们将开展跨学科的研究活动,包括流体力学、固体力学、化学动力学、材料科学、多相流动和计算机/数据科学领域。研究方法将基于微观和宏观两个层面,以全面揭示与先进制造和材料合成相关的基础科学。在微观层面上,当发生相变和/或生成新材料时,将采用第一性原理分子动力学模拟来解锁分子系统的演化。同时,在宏观层面上,将设计基于连续力学和多相流动的数值方法,并考虑各种金属特性,流体特性及其在制造过程中的相互作用,开发相关的理化子模型。此外,还将引入机器学习方法来预测合成材料和制成品的过程和/或质量。它旨在使高性能计算机和先进算法参与其中,以提高先进制造和材料科学中更常规的物理和化学过程的可预测性和分析能力。

本子项目的研究范围包括(但不限于)如下方面:

(1)新型纳米材料的燃烧合成;

(2)纳米材料的等离子体合成;

(3)与先进制造和材料加工有关的工业喷雾和雾化;

(4)金属熔化和凝固;

(5)熔融金属的牛顿和非牛顿行为;

(6)气体-液体-固体多相介质;

(7)多孔介质。我们的研究主题将涵盖与成功实现工业4.0技术突破相关联的广泛科学问题。 该子项目的成果有望为先进的制造和材料提供新颖的解决方案,从而为其他子项目的研究奠定重要的科学基础,并且为工业4.0相关的更广泛的研发提供技术支撑。


先进结构和功能性材料的开发及应用

首席研究员 吕力,许国勤

材料研究始终是学术界和产业界最为关注的话题,材料是人们开发先进技术,如航空器、超音速飞行器、非线性光学器件、现代机械、能量收集及能量存储装置、医疗器械、以及环保设施等的物质基础。本项目将发展高性能纳米结构材料、纳米功能材料、二维材料、介孔材料、新型界面复合材料和高效催化材料、以及新型电化学材料,最终目标是指导先进纳米材料在先进制造、特殊传感器、先进医疗装备、卫生保健、环境保护、以及再生洁净能源与存储等领域的应用。

纳米结构材料对于高附加值先进制造的零部件与设备系统至关重要,主要包括金属与无机纳米结构材料,纳米结构材料不仅需要具有优良的力学和化学特性,而且需要提供加工的高度灵活性、可变性和可调节性。纳米功能材料与二维材料由于具有大的比表面积、高的载流子迁移率、大的导热系数、以及强的旋光性,因而,具有十分突出的非线性光学以及生化传感特性,表现出非常高的灵敏度、快速反应能力、以及强的量子霍尔效应。可变能带隙以及大比表面积的介孔材料展现出优异的光催化特性,从而在能量转换、储氢、环保等领域发挥十分积极的作用。当前锂离子电池存在易燃、安全可靠性低、耐久性差的问题,新型的电化学材料将有望从根本解决这些问题,并突破当前锂离子电池的技术瓶颈。本项目将开展学科交叉研究,加深理解微观尺度以及原子尺度的电荷传输现象,深化缺陷结构与界面电荷转移的认知,最终解决先进纳米结构材料、纳米功能材料所面临的关键科学问题。除了面向大规模应用的固态电池研究,本项目也将开展全固态微型薄膜电池研究,实现储能电池与芯片的一体化集成。

研究团队包括有材料学家、化学家、与物理学家,在材料学、物理学、固态化学、无机化学、以及先进制造等学科领域具有较丰富的研究经验,可保证本项目的顺利实施。