放眼看美国:高端制造业的发展分析

2016年9月28日     来源:《中国航天》杂志      编辑:zhoujiale      繁体
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自奥巴马政府提出“重振制造业”以来,美国立足国家大工业基础,充分运用协同创新机制,推出一系列顶尖水平的国防高端制造装备,包括极端制造装备、智能制造装备、增减材复合制造装备、太空制造装备等,这对实现武器装备大型化、高效化、智能化研制生产具有重要意义。
  国防高端制造装备是以高新技术为引领,决定国防装备制造业整体竞争力的高附加值装备。国防高端制造装备最能体现一个国家装备制造业的技术水平,也是武器装备研制能力的重要基础。自奥巴马政府提出“重振制造业”以来,美国立足国家大工业基础,充分运用协同创新机制,推出一系列顶尖水平的国防高端制造装备,包括极端制造装备、智能制造装备、增减材复合制造装备、太空制造装备等,这对实现武器装备大型化、高效化、智能化研制生产具有重要意义。
  
  一、发展背景
  
  1.制造业重新成为全球经济竞争的焦点,国防高端制造装备迎来快速发展机遇期
  
  经济危机后,实体经济的战略意义再次凸显,美国等世界主要发达国家纷纷实施以重振制造业为核心的“再工业化”战略,瞄准高端制造领域,谋求打造新的竞争优势。国防高端制造装备作为武器装备研制生产的基础和支柱,以及国防工业不可或缺的战略资源,已成为发达国家国防制造业争夺技术优势的关键点,其水平和拥有量是衡量国防工业综合竞争力的重要指标。
  
  2.在新一代信息技术与制造业的融合促动下,国防高端制造装备向智能化方向发展
  
  美欧等国加大智能制造相关创新力度,推动3D打印、移动互联、云计算、大数据等新兴技术取得新突破,并致力于发展基于赛博实物系统(CPS)的智能制造装备,积极布局“智能工厂”,推进“智能生产”,引领制造模式的智能化转型。为在新一轮工业革命中占据先机,美国于2013年发布《工业互联网战略》,其核心是实现智能机器、高级分析和人的有机融合,推动智能制造成为美国制造业的发展重点和未来方向。
  
  3.美国政府顶层谋划、大力扶持国防制造技术与装备发展
  
  2011年,美政府发布《确保美国先进制造的领先地位》,提出重点发展新一代机器人、创新型节能制造工艺等;2012~2014年,相继出台《制造业促进法案》、《先进制造伙伴计划》、国防部《制造技术(ManTech)战略规划》、《振兴美国制造与创新法案》等,重点支持模块化、智能化、增材制造、绿色可持续制造等国防高端制造装备发展。2012年,美政府启动“国家制造创新网络”计划,拟投资10亿美元,并吸引高于10亿美元的社会资金,组建超过15家制造创新机构,截至2016年4月已成立8家,其中6家由国防部负责,对促进国防高端制造技术与装备创新发展具有重要意义。
  
  二、发展态势
  
  美国防高端制造装备日益呈现出极端化、智能化、复合化、模块化、绿色化发展态势,制造工艺已逐步从“以减材制造为主”向“增减材制造并举”的方向发展,制造环境已从“在地球制造”向“太空制造”拓展。
  
  1.极端化
  
  为满足新一代重型和超大型武器装备发展需求,美国高度重视极端制造装备发展,建造了代表世界最高水平的巨型搅拌摩擦焊装备、机器人制造装备、锻造装备等。
  
  为支撑“航天发射系统”(SLS)重型运载火箭的建造,2014年NASA和波音公司以及伊萨公司等联合建造出全球最大的搅拌摩擦焊装备“垂直集成中心”。该装备高51.8米、宽23.8米,集成了焊缝质量无损检测功能,可支撑SLS第一级(直径8.46米、高约61米)箭体结构焊接集成,是极端制造和绿色制造的典型;2016年,NASA将使用“垂直集成中心”完成SLS第一级的焊接集成,为2018年SLS的首飞奠定基础。
  
  2015年,NASA研制出世界最大的机器人复合材料纤维铺放系统,其臂长6.4米,安装在长12.2米的轨道上,机械臂头部一次可装入16束碳纤维,能在多个方向上精确运动以实现精细铺丝,将为SLS建造直径超过8米的全球最大的复合材料液氢贮箱。
  
  此外,美国还投资1亿美元发展了5万吨级的巨型模锻装备,锻造出世界上最大的整锻铝合金战车车底;建成了世界上最大的线性摩擦焊机,焊接表面积达10000平方毫米,打破了焊接锻造负载100吨的纪录。
  
  2.智能化
  
  利用现代传感、网络、自动控制、人工智能等技术,实现制造装备的智能化,已成为21世纪美国制造业的重要发展方向和新工业革命的主要标志。
  
  制造创新机构、DARPA、NASA等机构成为美国国防智能制造装备创新发展的源泉
  
  为在智能制造装备和技术发展方面引领创新,加速国防工业智能化转型,美国计划构建智能制造创新机构,并通过国防部牵头组建的“美国造”制造创新机构、数字化制造与设计创新机构,大力推进智能机器、增强现实、可穿戴计算、赛博实物系统、先进增材制造装备等智能制造装备相关项目的研发。2016年,美国防部提出制造创新机构将重点关注先进机床和控制系统、辅助和柔性机器人等领域。早在2010年,DARPA就启动了自适应车辆制造项目,旨在预先研究智能制造装备和技术,以实现大型复杂系统研制生产智能化,其成果将与制造创新机构成果结合,转化应用到武器装备研制中。此外,NASA在2015年《航天技术路线图(草案)》中也提出发展智能一体化制造、赛博实物系统,推进可持续制造。
  
  机器人制造装备、智能机器、增材制造装备等已成为美国国防高端智能制造装备发展的潮流。美国在机器人增材制造装备、复合材料制造装备以及自动化装配装备等方面已取得重大突破。2015年11月,美国Arevo实验室宣布建成世界上首台机器人增材制造装备。该装备集成了德国ABB机器人公司的商用6轴机器人系统、熔融沉积成形3D打印技术、末端执行器硬件以及综合软件套件等,可实现航空航天高性能碳纤维增强热塑性复合材料零部件的高效自动化制造,建造范围在1000立方毫米~8立方米之间;NASA于2015年建成的世界最大的机器人复合材料纤维铺放系统既是极端制造装备的典型,也是机器人制造装备的典型;2014年,波音公司“机身自动站立装配”装备通过技术验证,已用于“波音”777飞机装配。此外,波音公司将先进态势感知、赛博实物系统等技术引入飞机装配生产线中,构建智能装配生产线,并应用于“波音”737和“波音”787飞机研制生产中;美海军金属加工中心开展了多型水面舰艇加强筋制造自动化工装装备研究,可大量节省舰艇加强筋的建造成本。
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