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抢占极端制造产业制高点
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来源: 中国工业评论 作者: 郭凡礼发布时间:2015/8/13评论:0+收藏文章

  极端制造(也称极限制造或超常制造)是指在极端条件或环境下,制造极端尺度(特大或特小尺度)或极高功能的器件和功能系统。极端制造集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造和强场(如强能量场)制造。极端制造是先进制造技术的核心之一。20世纪下半叶以来,极端制造快速发展,并向多领域渗透,已成为当代先进制造的重要特征,是各国抢占新一轮制造技术制高点的战略必争之地,其所形成的强大生产力已成为国家发展和国力竞争的重要基础。我国的极端制造已取得积极进展,但在技术能力、整机产品、关键环节等方面都与发达国家存在较大差距,难以满足行业发展需要。我国迫切需要加紧部署,提升极端制造能力,加快向制造强国转变。

  极端制造是战略必争之地

  极端制造是一国制造业综合实力的集中体现。极限制造技术在当今的工业生产中显得越来越重要,已成为许多高科技技术领域的基础和前提。极端制造表面上看,是产品尺度及环境的变化,实质上则集中众多高新科技,具有极强带动效应。如飞机发动机以高温、高压、高转速、高负荷这“四高”为技术难点,是考量一个国家材料工业和制造工艺尖端加工能力的关键产品。各国“航母竞争”的背后是高端装备制造业、尖端材料学乃至燃料工业等综合实力的竞争。当今制造强国,均拥有较强的极端制造能力。缺乏极端制造能力,也就缺乏国际竞争的“撒手锏”。

  极端制造是各国抢占先进制造竞争制高点的战略要求。目前极端制造正处于蓬勃发展的阶段,工业发达国家早已将极端制造列为重点研究方向。美国1991年就提出将“微米级和纳米级制造”列为国家关键技术。半导体设备作为重要的极端微细加工设备,是整个半导体产业链的基础与核心,美国则凭借半导体工业的领先地位牢牢把控着制造业的主导权。德国确立了机械制造业持续发展的“绿色制造”、“信息技术”和“极端制造”三大发展目标,为“德国制造”的品质保障提供了有力支撑。

  极端制造是带动工业转型升级的重要突破口。传统工业向新型工业化道路转变的方向已经十分明确,但如何推动转变仍在探索之中。传统增长轨迹已显乏力,亟须在先进制造前沿领域发力。一方面,极端制造从前沿“倒逼”我国制造业转型升级。如航母用的极细、韧性极高的四条拦阻索由美国和俄罗斯控制,只能依靠自主研制。另一方面,极端制造应用到常规产品设计和制造当中,将对推动产品升级换代以及制造技术的改造提升发挥极强的带动作用。航母千亿元级别的投资也将带动航空、动力、机械、电子、材料乃至燃料工业的转型升级,同时也能锤炼中国制造业的复杂大系统集成能力。

  全球极端制造能力大幅提升

  极端制造是前沿科技和前沿科技产品发展的一个焦点,是制造业未来的重要发展方向。20世纪90年代以来,世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展,如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术(IMS)国际合作计划、德国的制造2000计划。极端制造代表着一个国家的制造水平,世界各国对极端制造技术发展给予高度重视,大量时间、资金投入到极端制造的研发推广中,促使全球极端制造能力大幅度提高。

  以大型金属构件塑性成形制造能力为例,美、俄、法等国建造了一批4.5吨到7.5吨的巨型水压机;欧美等工业发达国家使用大型盾构机进行施工的城市隧道已占90%以上;作为集装箱船与码头之间的主要装卸设备,大型集装箱起重机在世界许多国家和地区都得到了迅猛发展。在微制造方面,全球极端制造的最新成果目前已初见端倪,如微射流光纤传输系统,比目前的光纤传输速度快约10倍;正在研制的量子计算机,其运行3秒的速度,相当于现在计算机运行上百亿年的计算量。随着现有极端制造技术日趋成熟,极端制造在多个领域实现新突破,广泛应用于航空航天、交通、通信、石油、生物医药、农业等多个领域,几乎所有人接触到的领域都能见到极端制造的身影。

  目前全球的极端制造还存在一些难题有待解决,制造技术突破的焦点主要集中在以下几个方面:一是如何在超强能场诱导下实现物质的多维、多尺度演变和制造目标。例如大型构件制造、芯片高密度倒装界面的能量传递与转化;二是微结构的精密成形、选择性性能演变与制造目标,包括微生长、微成形、微去除等制造界面处的能量与物质传输等;三是微系统的组装与功能形成,即如何将量子力学、微动力学、分子动力学等规律运用到微驱动、微操纵、微连接等过程中,形成一个功能强大的微系统;四是建立功能稳定、运行精确的复杂功能系统。与此同时,在极端环境下的多场耦合、随机扰动与过程稳定问题,也尚待解决。

  随着中国在极端制造方面研发力量的加大、贸易规模的扩大,中国在该领域已经取得了不少重大突破,越来越多的极端制造产品在中国问世。在极“大”方面有30万吨的超级油轮、7000米的蛟龙号载人深潜器、全球最大的36000吨垂直金属挤压机等专业化装备;在极“小”方面有微纳芯片等。不仅如此,一些极端制造技术已经在公共安全、航天航空、石油化工等众多领域获得成熟应用,并且近年来这些领域的产业规模、产业结构、技术水平都大幅度提升,形成了若干具有国际竞争力的优势产业和骨干企业。

  极端制造呈现出新发展趋势

  未来的科学技术必将在各种高能量密度环境、物质的慎微尺度、各类复杂巨系统中不断出现新发现、新发明。新世纪科学与社会对制造的挑战将会产生全新极端制造,新一代极端制造也必然制造出更完美的产品。整体上极端制造将朝着极大、极小、极精等方向极速发展,极端制造业呈现新的发展趋势。

  极端制造产品将实现智能化、自动化、低成本化,产品性能高、功能多且环境相容性强。计算机技术、信息技术等新技术与制造业技术的完美融合,使极端制造产品呈现新的特点。制造技术的发展会提高产品智能化、自动化程度,极端制造技术不断地改善成熟,将大幅度降低制造成本。新技术的应用,一方面,在产品投入生产之前能够通过计算机技术进行仿真模拟,判断其最终效果,及时反馈信息,再根据这些信息不断调整设计,提高产品性能,实现产品多功能化;另一方面,通过对各种资料信息的收集处理,提高对极端环境、极端条件的把握度,使最终生产出来的产品最大限度地与环境相容。

  技术是极端制造业发展的关键,极端制造的技术研发力量将会集中化、专业化,研发投入会增加,极端制造技术将具备领先性、发展性。随着人类生存和发展环境日益复杂、人们对新极端领域的探索欲望增加,极端制造方面的研发力度也会进一步加大。为了降低研发成本、提高研发效率,极端制造产品及技术的研发将会呈现核心产品集中攻关,相关技术各展所长、联合开发的态势。极端制造技术将具备可推广性强、市场前景广阔、经济效益好的特点,并能够在多个领域广泛应用,渗入到社会的各个层面。

  极端制造的运行系统会复杂化,稳定性、精确度将有所提高,微系统成为突破重点。随着外部环境的日益复杂,为了减少复杂外部环境对系统内部运行结果的影响、满足更多的功能需求,极端制造的运行系统也将复杂化,系统稳定性、精确度会在市场的驱动下逐步提高。与巨系统相比,目前对微观条件下的机械系统运动规律、微小构件物理特性、载荷作用下的力学行为等认识不够充分,未能基于一定理论基础形成成熟的微系统设计理论,一切的行为尚处于摸索阶段,微系统的研究亟须突破,未来在该领域有望取得新进展。

  绿色制造模式是实现制造业可持续发展的制造模式,面对日趋严格的环境与资源约束,极端制造也必须走上“绿色化”道路。绿色极端制造要求在整个制造过程中,对环境产生的负面影响小,使废弃物和有害物质的排放量最小化、资源利用效率最大化;产品必须采用绿色原料、绿色资源、绿色技术进行生产,产品在生命周期内都符合环保、健康、耗能低、资源利用率高的要求;循环式制造技术将被采用,产品的回收率和循环再利用率得到提高。

  我国在极端制造领域存在较大差距

  极端制造的应用不足。目前我国在大型构件制造方面落后于世界先进水平,船舶、电力等大型工业装备制造难以摆脱对国外的依赖。尽管单项技术指标很高,但我国在超精密加工设备的研制和生产等方面存在着较大的差距,应用处于初级阶段。例如Precitech公司和Moore公司已商品化生产五轴超精密切削加工设备,而国内的金刚石切削设备目前只做到了两轴。极端制造在国外已广泛应用,并为产业发展提供了有力支撑。以大型金属构件塑性成形制造能力为例,美、俄、法等4.5万~7.5万吨的巨型水压机,大大提高了大型飞机的制造能力及洲际运载能力。产品价值链高端缺位,产品缺乏国际竞争力,行业内未能产生世界知名品牌。中国极端制造业产品档次不高,绝大多数处于价值链低端,为用户提供系统设计、工程承包、维修改造、回收再造等服务未能得到培育,生产性服务业发展滞后。中国极端制造现阶段普遍采用的模式为引进──模仿──改善,引进的产品、技术大多在进口国已经过时甚至遭到淘汰,后发劣势明显,产品在国际市场上缺乏竞争力,未能形成具有代表性的世界知名品牌。

  极端制造的制造能力不足。我国虽然在大型、超大型机床制造、精细制造等领域取得一定进展,但与发达国家相比,整体上仍存在较大差距。比如纳米制造领域,目前中国纳米技术在纳米电子器件、纳米生物医药等纳米科技领域研究能力薄弱。中国绝大多数的纳米加工、检测的仪器设备均采用欧美日等国家的产品,自主研发的设备占有的市场份额很少。虽然我国微电子产业已具备一定规模,但微制造的科学研究未形成对整个领域有影响的研究成果,几乎没有自主的核心技术,依靠引进技术与装备形成的制造能力滞后于国际先进水平1-2代。自主创新能力弱,缺乏核心技术,关键零部件发展落后,关键技术和高端装备进口依赖度高。在中国极端制造业中,拥有自主知识产权和自主品牌的技术和产品少,在许多高端装备领域未能掌握核心技术,高端主机和成套设备所需的关键零部件大量依靠进口,高端产品不能独立完成生产,大多由国外提供设计,采用进口的核心技术和关键零部件,在国内进行加工组装完成。以高档数控机床为例,我国90%高档数控机床、95%高档数控系统以及70%高档数控机床配套的高档功能部件需进口。

  极端制造的研发不足。极端制造技术涉及到现代设计、智能控制、超精密加工等多项高科技,需要发挥多学科优势进行联合攻关。目前,我国极端制造基础技术开发不足,极端制造技术研发投入过于分散,产品研发孤军深入,尚未形成体系,产业化进程困难重重。用于研究的材料计量、测量和表征技术明显落后于国外,在多自由度重载操作装备方面的研究十分薄弱。纳米材料等极端制造领域的基础研究、应用研究和开发研究出现脱节,学科交叉,技术集成不够。产品、技术研发投入力度相对先进国家较小,研发队伍单一。中国的研发投入占GDP的2.08%,这个比例相较先前已经有了突飞猛进的发展,但是和工业发达国家相比仍然较低,美国在2.9%的基础上还有追加。中国企业研发投入平均在1.2%,低于国际上对企业可持续发展3%的规定,美国、日本则分别为4.9%、3.8%。中国极端制造的发展对国家依赖性强,从研发到应用推广的全过程国家参与度高,企业自发性研发少,且企业之间缺少研发合作,不利于形成以企业为主导的极端制造产业。

  我国极端制造发展不平衡。一方面,在国际市场上已经成熟的极端制造产品在我国市场上出现产能过剩,另一方面,在一些中高端极端制造产品上却存在很大缺口,这种缺口不仅表现在技术上的缺乏,还表现为生产极端制造产品所需材料的缺乏,对进口依赖性高。与此同时,从整体上来看,中国在极“大”方面的表现优于极“小”,极“小”方面的成就优于极“精”;与极端制造技术和产品相比,支持多种极端制造技术和产品得以有效运转的系统制造相对滞后,极端制造业内部发展不平衡。

  提升我国极端制造能力若干思考

  随着我国新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步推进,中国超大的内需潜力将被激发出来,新的安全需求、民生需求、消费需求,都要求我国极端制造业再上台阶。不仅市场驱动着中国极端制造的前行,国家政策也在为国内极端制造的发展保驾护航。当前中国制造业正面临工业发达国家高技术创新优势和发展中国家低端产品更低成本优势的双向挤压,国内发展以极端制造为代表的高端制造业呼声高涨。国家出台多项政策都将极端制造列为重点支持对象,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确指出注重极端制造技术的发展,《中国制造2025》更是直指极端制造。极端制造业的发展迎来大好时机。

  把握机遇,将极端制造作为发展的战略重点。现代基础工业、航空、航天、电子制造业的发展,促成了各种超常态条件下制造技术的诞生。极端制造是制造业面对日益个性化市场需求出现的新趋势。哪个国家能够更快地抢占极端制造制高点,哪个国家就是当代制造强国。当前,世界各国对纳电子、强场制造等处于起步和发展阶段,迫切需要把握这一历史时机,将极端制造列入国家发展的战略重点。

  夯实基础,加大极端制造重点领域研发力度。目前国内对极端制造研究力量、目标与规划尚未有效协同。迫切需要国家将极端制造列入国家重大基础研究规划、国家自然科学基金等各项重大国家计划,明确战略目标与战略重点,凝聚国内优势学科力量。同时,突出以建设巨系统、微系统、超强制造等研发转化基地为重点,加快建立材料体系、器件与系统、制造工艺、制造装备、精密检测、精良控制等科学基础研究平台。

  应对挑战,加紧布局极端制造前沿领域。现代基础工业、航空、航天、电子制造业的发展,对机械工程技术提出了新的要求,促成了各种超常态条件下制造技术的诞生。当前,极端制造技术处于快速发展变化之中。从极端制造所达到的“实际制造极限”距离“理论极限”还有相当大的差距。迫切需要积极应对挑战,关注现代极端制造的前沿领域变化和发展。

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