「项目精选」104期：先进制造领域精选科技成果推荐

先进制造领域-精选科技项目

本期精选7项先进制造领域的技术成果进行推荐

项目1：电磁超声导波缺陷检测仪

项目2：钛白粉后处理工艺技术和机理

项目3：脱硝催化用钛白粉的生产技术和机理

项目4：有机相变蓄能复合材料及在建筑节能中的应用

项目5：五轴义齿加工系统

项目6：多自由度关节机器人机构设计、分析与优化

项目7：车辆传动系统传动效率影响因素分析及提升技术

项目一：电磁超声导波缺陷检测仪

成果简介

电磁超声导波检测设备可实现对钢板和钢管缺陷的快速扫描，既满足电磁超声导波实验室需求又可满足工程应用，特别是针对高校用户提供开放式数据接口和检测数据源文件，可方便高校教师和学生科研使用。

仪器主要指标：

• 工作电压：220V交流；

• 探头激励信号频率、幅值和周期数可调；

• 可以产生管道L模式、管道T模式、Lamb波模式和SH波模式的电磁超声导波；

• 可用于管道和板材的腐蚀、裂纹等缺陷检测，最大检测板厚或壁厚为20mm；

• 可检出最小腐蚀缺陷1t×1t×0.1t（深）；可检测最小裂纹1t（长）×0.1t（深），t为板厚；

• 定位误差<5cm。

应用说明

研究成果已经成功应用在国家管道检测工程实验室、油田、电厂和高校相关实验室等多家企事业单位。应用于油田管网检测、石化企业管道检测、电站管道检测。

效益分析

按国际压力管道检测工程通行价格计算，为每公里1万美元。

合作方式

技术转让、合作开发和技术入股等方式。

所属行业领域

先进制造领域

 

项目二：钛白粉后处理工艺技术和机理

成果简介

钛白粉作为白色颜料之王广泛应用于油漆、涂料（水性）、塑料、造纸等不同应用领域中。该项目为了提高钛白应用性能，在后处理表面工艺技术进行多年的研究，申请了多个钛白粉领域相关的专利。研究控制钛白粉包覆膜的致密度、厚度等不同质量的包覆膜，提高钛白粉在油漆、涂料（水性或油性）、塑料（色母粒）、造纸等领域中应用性能，提高分散性，遮盖力等应用指标。

该项目是该大学与某钛白粉企业合作，项目内容为金红石钛白粉后处理包膜工艺条件和机理研究。发表了与钛白粉领域相关文章十多篇，申请钛白粉包膜专利十余项。

应用说明

该项目详细研究了硅、铝、锆、磷的化合物等无机包膜的工艺和机理，并获得最优化条件，包括：分散条件、无机包膜顺序、有机包膜剂、包膜温度、包膜时间、包膜pH调节剂、搅拌强度、熟化时间等工艺条件。利用TEM，SEM，XRD，XRF，IR，BET等现代分析手段研究钛白粉的结构和理论。采用物理、化学等检测方法，详细研究分析了美国杜邦公司R902、R706、日本石原公司R930等产品包膜质量。利用高分辨透射电镜等分析手段对钛白粉的包膜质量给出详细的分析和评价。

产品指标：钛白粉表面包膜高分辨率透射电镜分析图片如下：

效益分析

由于目前国内的产品和国外美国杜邦（改名：科慕）同类产品质量在白度、分散性等应用指标等方面有较大差距，迫切需要提高产品质量达到国外先进水平，因此项目具有较大的推广空间。该项目提供先进的工艺技术路线，机理和理论分析，产品质量分析等。通过该项目不同层次的升级改进，产品效益提高可以从几百万到几千万元。

合作方式

转让或者联合推广

所属行业领域

先进制造领域

项目三：脱硝催化用钛白粉的生产技术和机理

成果简介

脱硝催化剂用钛白粉比表面积大，催化活性高，化学性质稳定，使用寿命长，本品是SCR脱硝催化剂用的载体材料，主要是处理氮氧化物，专门为垃圾焚烧电厂和化工，炼油，炼焦，玻璃制造厂烟气治理以及汽车，轮船尾气处理所需脱硝催化剂的制造。亲水性高，吸附力强，比表面积大，催化活性高，500℃高温烧结后比表面积稳定，不产生二次污染。此产品主要用于脱硝，可使100%烟气条件下，脱硝率95%以上。对空气的环保起着非常重要的作用。

应用领域

电厂和化工，炼油，炼焦，玻璃制造厂里面锅炉脱硝，烟气治理以及汽车，轮船尾气处理所需脱硝催化剂的制造。

技术指标

脱硝纳米催化二氧化钛高分辨透射电镜照片

纳米催化二氧化钛照片，粒径5-50nm，孔5-10nm

合作方式

转让或者联合推广

所属行业领域

先进制造领域

项目四：有机相变蓄能复合材料及在建筑节能中的应用

成果简介

有机相变蓄能复合材料是由有机相变材料（如石蜡）和高分子支撑和封装基体组成的复合材料，通过有机相变材料的固-液相变储存或释放热量。由于高分子材料的微封装和支撑作用，使得分散于其中的有机相变材料发生固液相变时仍能保持原有形状。

该类材料有以下特点：

• 无需外部封装，可直接使用；

• 相变前后材料能保持其形状和强度；

• 材料的导热系数可在一定范围内调节，对外界温度变化响应及时；

• 材料具有良好的阻燃特性。

应用前景广阔，包括但不限于太阳能储存、建筑节能、冷热防护、电子元器件温度管理、低温储存、电力调峰、工业余热回收利用、智能服装等领域。

本课题组还开发了有机相变蓄能复合材料的连续生产设备和生产工艺，已实现小批量连续示范生产。

随着我国经济发展和人民生活水平的提高，我国建筑面积增长迅速，相应地，建筑能耗也大幅度增长，2020年占社会总能耗的1/3。因此，在国务院发布的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》中，节能的绿色建筑已被列为重点发展领域。

本项目开发的有机相变蓄能复合材料可以充分利用太阳能和谷电等自然和低价能源，通过光热转换和电热转换来实现建筑采暖。针对太阳能不连续和不稳定问题，以及存在供给和需求不匹配的矛盾，有机相变蓄能复合材料可以将太阳能蓄存起来，在需要时释放，从而解决这些问题。在采用分时电价的地区，还可以利用有机相变蓄能复合材料进行谷电蓄能采暖，平抑峰谷差。通过充分利用清洁的可再生能源，降低建筑运行能耗，节省运行开支，减少环境负担。

图1 自行设计加工的智能调温材料板材示范生产线

本课题组从2000年开始进行有机相变蓄能复合材料的研制，在国家自然科学基金、“十一五”和“十二五”国家科技支撑计划课题、该大学基础研究基金等的支持下，经过多年的努力，研发出具有自主知识产权的有机相变蓄能复合材料，申请和授权发明专利5项。实验室应用研究证明具有很好的节能和舒适效果。

应用说明

1、利用谷电采暖的有机相变蓄能复合材料

图2 相变蓄能电采暖地板结构图

图3 相变蓄能地板采暖效果图

2、利用谷电使有机相变蓄能复合材料蓄能，在白天释放加热房间，满足白天的采暖需求，达到节约采暖电费的目的，适合用于办公楼等场所。实验和模拟证明，使用相变蓄能地板采暖，室内温度可保持在20℃左右。以北京地区25平米的房间计算，每天可省4元钱。结合太阳能采暖的有机相变蓄能复合材料适应于轻体房和可移动建筑，或高原地区的分散建筑。

（1）结合被动式太阳能采暖的相变蓄能地板/墙体

图4 相变蓄能地板在太阳房中的应用原理

白天蓄存透射进房间的太阳能，夜间再逐渐释放给房间。能有效提高房间夜间温度，降低全天温度波动。实验和模拟研究表明，在北京地区，与普通的轻质板房相比，冬季夜间最低温度能提高5℃以上。

（2）结合主动式太阳能采暖的相变蓄能地板

图5 相变蓄能地板在主动式太阳能采暖中的应用原理

与太阳能集热装置联用，白天在太阳辐射强烈时，将热水直接通入相变地板层，使地板充分蓄热，用于夜间供暖。碰到阴天或夜间热量不够，可以启动备用热源。

主动式太阳能相变蓄能地板采暖系统比轻质地板减小室内温度波动50%，提高室内最低温度2-3℃；若蓄能时间段能量全部由太阳能提供，与无水箱蓄能装置干式太阳能采暖系统相比则可多利用约30%的太阳能。与有水箱蓄能装置太阳能采暖系统相比则每百平米可节约7.5m 3的水箱体积，约7.5吨建筑容重和4万元水箱成本。

效益分析

在国家大力提倡绿色建筑、节能建筑以及清洁可再生能源的综合利用的形势下，本项目具有广阔的应用前景和较大的推广空间。

合作方式

技术转让或者联合推广

所属行业领域

先进制造领域

项目五：五轴义齿加工系统

成果简介

五轴义齿加工系统是先进制造技术与口腔医学交叉结合。包括口腔牙齿原始信息采集、数据库建立和数据处理、模型建立和重构、数控加工技术及设备等。五轴义齿加工系统属于口腔医学领域专用型数控加工设备，具有加工效率高、精度高、体积小、操作便捷、绿色环保等特点。合理的结构设计是保证义齿加工质量的基础。具有如下图所示功能：

该系统集成了计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），计算机数字控制（CNC），精密伺服驱动，高速研磨和材料科学等先进科学于一体。同时采用了双重解决方案来实现义齿的加工，方案一由数字化口腔三维CBCT获得牙齿三维面片模型（STL格式），经过义齿专用五轴CAD/CAM软件处理后生成氧化锆板材的加工G代码，将G代码通过CNC输出到自主研发的义齿五轴研磨机中对毛坯进行高速研磨加工；方案二是将得到的牙齿STL模型直接通过自主开发的切片软件生成适合3D打印的G代码文件，即可在3D打印机中完成牙齿实体的成型加工。

五轴义齿加工机床（立式、卧式）如图2所示。针对义齿表面形貌复杂的特点，开发了五轴加工轨迹光顺插补模块，实现连续小线段曲线拟合和速度规划，提高加工效率和表面光洁度。对于义齿这类微小、薄壁类零件的加工，加工时工件极易损坏，现有的通用软件难以满足要求。研发了牙冠高速加工的专用软件，需要完成STL模型的拓扑关系重构、合理的规划走刀路径、避免导轨干涉等工作。针对牙齿修复体三角化模型，进行STL模型的拓扑关系重构；根据所采用毛坯材料和刀具，进行刀具路径规划，确定刀位文件的格式规范，并生成五轴加工的刀位文件。根据牙冠套的结构特点，采用双面加工方案。其关键在于围绕STL模型进行刀具路径规划，直到轨迹遍布整个零件内外表面，如图3所示。同时考虑刀轴与零件表面可能的干涉，并通过调整刀轴矢量避免干涉。根据生成的五轴加工刀位文件，结合机床的坐标轴机构（移动轴和转动轴），进行坐标转换，得到使用与机械结构的数控加工代码。尽量减少后置处理的代码量，同时考虑将旋转轴所致的非线性误差控制到最小，实现高精度加工。五轴加工必然引起非线性误差，需对非线性误差进行建模预测，在后置处理过程中采取转动量最小原则，提高实际走刀轨迹与理论路径之间的一致性，有效降低非线性误差，确保加工精度。

图3 义齿模型的STL数据及路径生成

产学研情况

可产业化

所属行业领域

高端装备制造

项目六：多自由度关节机器人机构设计、分析与优化

成果简介

多自由度关节型工业机器人的机构设计及优化，涉及到工作空间设计与优化、运动轨迹规划、作业功率消耗、机构定位精度等，并且关系到驱动电机选型，因此是工业机器人产品研发中的重要工作内容之一。目前市场上的多自由度关节型工业机器人机构结构日趋复杂，其运动学/动力学分析存在较大难度，对机器人本体产品研发形成较大挑战。而当前市场环境下，国内自主研发生产的工业机器人难以形成批量，很多情况下是根据客户需要进行定制开发，因此需要能够根据客户需求及时研发满足客户特定需求的工业机器人产品，这对于多自由度关节型工业机器人机构设计、分析及优化提出了更高的要求。

本项目在多自由度关节型工业机器人工作空间分析评价及优化、运动学/动力学分析及优化、运动轨迹规划、机器人能耗评估及优化等方面进行了系统的研究，可以实现机器人本体结构的最优化设计，提升机器人运动学、动力学性能，避免驱动电机选型中的功率浪费现象，最大限度降低机器人能耗。

此外，本项目面向工业机器人的正向设计开发流程，研发了多自由度关节型工业机器人专用的机构设计、分析与优化系统软件平台，可以显著提升工业机器人产品研发效率，及时满足市场多样化需求，提高机器人生产企业的市场竞争力。

本项目已授权发明专利1项，软件著作权2项，并已在相关企业产业化应用。

产学研情况

可产业化

所属行业领域

高端装备制造

项目七：车辆传动系统传动效率影响因素分析及提升技术

成果简介

由离合器、变速器、主减速器、差速器、传动轴等组成的传动系是车辆底盘的重要组成部分，其传动效率对于整车的动力性、燃油经济性等综合性能影响很大。本项目通过试验测试及动力学分析，系统分析了离合器摩擦特性相关的功率损失、变速器齿轮传动功率损失、轴承功率损失、搅油功率损失、油封轴套功率损失等，建立了传动系各环节的功率损失分析模型，对不同转矩、转速、润滑油、齿轮结构参数等因素对于传动系效率的影响机制进行了系统深入的分析。

本项目可以根据车辆实际情况采取不同的修改策略，以提升车辆传动效率。在上述工作基础上，进一步开发了专用的车辆传动系效率分析及优化系统软件平台，为车辆传动效率提升提供了一个科学高效的分析工具。

本项目的实施，可以明确车辆产品开发中影响传动效率的关键因素，并提供有效的技术提升策略，从而提升车辆的综合性能，增强产品的市场竞争力，相关成果已经在企业应用。

产学研情况

可产业化

所属行业领域

高端装备制造