机械学科前沿技术

《机械学科前沿技术》——综述报告《机械学科前沿技术》综述报告摘要：机械学科前沿技术学科综合性强，技术要求高；能够促进国民经济的发展，提升中国制造业的技术水平，促进中国从制造大国到制造强国的转型，提升在国际上的竞争力；在计算机辅助的基础上，制造技术便捷民众的生产与生活，提高国家的国防能力，同时可以帮助人类向更远的外太空和更深的海洋系统进行探索；符合现代科技的发展潮流。在工业4.0的背景下，人类的活动对机械前沿技术提出了更高的要求：需要更高的智能化、集成化、微型化，能够在更加极端的环境背景正常运行。今日之世界以非昨日之世界，在人类已经有能力毁灭地球的前提下，利用前沿技术提升制造业已经成为时代发展主流。中国虽已经是今非昔比，但高新技术空白区依然较大，我们肩负着复兴中华民族的伟大中国梦，任重而道远！那么什么是先进制造技术？先进制造技术是在传统制造技术上不断吸收机械、电子、信息、材料、能源以及现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工装配、检验测试、经营管理、售后服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。它包括现代设计方法、先进制造工艺、制造自动化技术、现代生产管理技术和先进制造生产模式及系统。人类进入21世纪以来，以信息技术为代表的高新技术不断发展，市场需求逐渐个性化和多样化，制造业面临着新的机遇和挑战，其发展的重要特征是全球化、网络化、虚拟化。为了适应经济全球化，适应高新技术发展的需求，适应愈加激烈的市场竞争环境，未来先进制造技术发展的总趋势是精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、敏捷化、绿色化、集成化以及创新管理的方向发展。现代设计技术现代设计技术是一门基于传统的设计理论与方法的新兴学科，目前尚无普遍公认的严格定义。这项技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成：是多学科交叉融合的产物。既需要数学、物理、化学等自然学科实验分析做基础，也需要计算机的仿真和模拟，才能最大限度了解产品在实际环境中的适应能力，能够节省成本，优化设计。先进制造工艺技术先进制造工艺技术是先进制造技术的核心和基础，是使各种原材料、半成品成为成品的方法和过程。先进制造工艺技术包括以下四个方面：1.高效精密成型技术。这是指生产无余量或者少余量半成品工艺的统称，包括精密洁净铸造成形工艺、精密高效塑性成型工艺、优质高效焊接及切割技术、优质低耗洁净热处理技术、快速成形和制造技术等；2.高效/高速/高精度切削/磨削加工工艺。包括精密加工和超精密加工、高速/超高速切削和磨削、复杂型面的数控加工、游离磨粒的高效加工等；3.现代特种加工工艺。指那些不属于常规加工范畴的加工工艺，如高能束加工（含电子束、离子束、激光束等）、电加工（含电解和电火花等）、超声波加工、高压水射流加工、多种能源的复合加工、纳米技术及为细加工等；4.表面改性、制膜和涂膜技术。它是采用物理学、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合，赋予产品表面耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲劳的特殊功能，从而达到提高产品质量、延长使用寿命，赋予产品新性能的新技术统称，是表面工程的重要组成部分，包括化学镀技术、非晶态合金技术、节能表面涂装技术、表面强化处理技术、热喷涂技术、激光表面熔敷处理技术、等离子化学气相沉积技术等。制造自动化技术广义上来说，制造自动化是指由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机的整体，他接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等，在任人和计算机控制系统的共同作用下，实现一定程度的柔性自动化制造，最后输出产品、文档资料和废料等。这些是制造业发展的基础，在这些基础上才能有更多的创新创造！以下介绍几种先进的技术：1.3D打印3D打印技术（英语：3Dprinting），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作，桌面打印机可以打印出小物品，而且，人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里；而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品，则需要更大的打印机和更大的放置空间。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比，三维打印技术还拥有如下优势：通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费；而且，它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器；另外，在具有良好设计概念和设计过程的情况下，三维打印技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。3D打印技术发展迅猛！人们已经使用该技术打印出了灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等，有些人甚至使用该技术制造出了机械设备。比如，美国麻省理工学院（MIT）的博士生彼得·施密特就打印出了一个类似于祖父辈使用的钟表的物品。在进行了几次尝试之后，他最终用打印机打印出了塑料钟表，将其挂在墙上，结果，钟开始滴答滴答地走动。有专家预测，如果3D打印机能够大型化，随着相关技术的不断突破，原材料的不断丰富，也许几个月内可以实现一栋高楼的建造。2.核能发电我相信核能将会是21世纪主要能源之一，它效率之高，前景之光，会是每一个优秀民族钻研的领域！核能发电即利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%－4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀238。举例而言，核电厂每年要用掉80吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。换算起来，刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染；不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途。．核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。但同时核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重。核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。在未来，我相信这些问题都会得到很大改观。科技，能改变世界，创造未来。虽然目前人类还无法预测科技会将我们带向何方，但是善用科技的力量，保持对它的敬仰之心，科技一定会是人类的福祉。参考文献：《机械工程学科导论》宾鸿赞主编，2011年第一版；《先进制造技术》李文斌，李长河，孙未主编，2014年第一版；360词条“3D打印技术”，“核能发电”。