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詳解美國高端裝備制造業發展現狀

發布時間:2018-12-25 作者:videasoft 次數:65次

  國防高端制造裝備是以高新技術為引領,決定國防裝備制造業整體競爭力的高附加值裝備。國防高端制造裝備最能體現一個國家裝備制造業的技術水平,也是武器裝備研制能力的重要基礎。自奧巴馬政府提出“重振制造業”以來,美國立足國家大工業基礎,充分運用協同創新機制,推出一系列頂尖水平的國防高端制造裝備,包括極端制造裝備、智能制造裝備、增減材復合制造裝備、太空制造裝備等,這對實現武器裝備大型化、高效化、智能化研制生產具有重要意義。
  
  一、發展背景
  
  1.制造業重新成為全球經濟競爭的焦點,國防高端制造裝備迎來快速發展機遇期
  
  經濟危機后,實體經濟的戰略意義再次凸顯,美國等世界主要發達國家紛紛實施以重振制造業為核心的“再工業化”戰略,瞄準高端制造領域,謀求打造新的競爭優勢。國防高端制造裝備作為武器裝備研制生產的基礎和支柱,以及國防工業不可或缺的戰略資源,已成為發達國家國防制造業爭奪技術優勢的關鍵點,其水平和擁有量是衡量國防工業綜合競爭力的重要指標。
  
  2.在新一代信息技術與制造業的融合促動下,國防高端制造裝備向智能化方向發展
  
  美歐等國加大智能制造相關創新力度,推動3D打印、移動互聯、云計算、大數據等新興技術取得新突破,并致力于發展基于賽博實物系統(CPS)的智能制造裝備,積極布局“智能工廠”,推進“智能生產”,引領制造模式的智能化轉型。為在新一輪工業革命中占據先機,美國于2013年發布《工業互聯網戰略》,其核心是實現智能機器、高級分析和人的有機融合,推動智能制造成為美國制造業的發展重點和未來方向。
  
  3.美國政府頂層謀劃、大力扶持國防制造技術與裝備發展
  
  2011年,美政府發布《確保美國先進制造的領先地位》,提出重點發展新一代機器人、創新型節能制造工藝等;2012~2014年,相繼出臺《制造業促進法案》、《先進制造伙伴計劃》、國防部《制造技術(ManTech)戰略規劃》、《振興美國制造與創新法案》等,重點支持模塊化、智能化、增材制造、綠色可持續制造等國防高端制造裝備發展。2012年,美政府啟動“國家制造創新網絡”計劃,擬投資10億美元,并吸引高于10億美元的社會資金,組建超過15家制造創新機構,截至2016年4月已成立8家,其中6家由國防部負責,對促進國防高端制造技術與裝備創新發展具有重要意義。
  
  二、發展態勢
  
  美國防高端制造裝備日益呈現出極端化、智能化、復合化、模塊化、綠色化發展態勢,制造工藝已逐步從“以減材制造為主”向“增減材制造并舉”的方向發展,制造環境已從“在地球制造”向“太空制造”拓展。
  
  1.極端化
  
  為滿足新一代重型和超大型武器裝備發展需求,美國高度重視極端制造裝備發展,建造了代表世界最高水平的巨型攪拌摩擦焊裝備、機器人制造裝備、鍛造裝備等。
  
  為支撐“航天發射系統”(SLS)重型運載火箭的建造,2014年NASA和波音公司以及伊薩公司等聯合建造出全球最大的攪拌摩擦焊裝備“垂直集成中心”。該裝備高51.8米、寬23.8米,集成了焊縫質量無損檢測功能,可支撐SLS第一級(直徑8.46米、高約61米)箭體結構焊接集成,是極端制造和綠色制造的典型;2016年,NASA將使用“垂直集成中心”完成SLS第一級的焊接集成,為2018年SLS的首飛奠定基礎。          


2015年,NASA研制出世界最大的機器人復合材料纖維鋪放系統,其臂長6.4米,安裝在長12.2米的軌道上,機械臂頭部一次可裝入16束碳纖維,能在多個方向上精確運動以實現精細鋪絲,將為SLS建造直徑超過8米的全球最大的復合材料液氫貯箱。
  
  此外,美國還投資1億美元發展了5萬噸級的巨型模鍛裝備,鍛造出世界上最大的整鍛鋁合金戰車車底;建成了世界上最大的線性摩擦焊機,焊接表面積達10000平方毫米,打破了焊接鍛造負載100噸的紀錄。
  
  2.智能化
  
  利用現代傳感、網絡、自動控制、人工智能等技術,實現制造裝備的智能化,已成為21世紀美國制造業的重要發展方向和新工業革命的主要標志。
  
  制造創新機構、DARPA、NASA等機構成為美國國防智能制造裝備創新發展的源泉
  
  為在智能制造裝備和技術發展方面引領創新,加速國防工業智能化轉型,美國計劃構建智能制造創新機構,并通過國防部牽頭組建的“美國造”制造創新機構、數字化制造與設計創新機構,大力推進智能機器、增強現實、可穿戴計算、賽博實物系統、先進增材制造裝備等智能制造裝備相關項目的研發。2016年,美國防部提出制造創新機構將重點關注先進機床和控制系統、輔助和柔性機器人等領域。早在2010年,DARPA就啟動了自適應車輛制造項目,旨在預先研究智能制造裝備和技術,以實現大型復雜系統研制生產智能化,其成果將與制造創新機構成果結合,轉化應用到武器裝備研制中。此外,NASA在2015年《航天技術路線圖(草案)》中也提出發展智能一體化制造、賽博實物系統,推進可持續制造。
  

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  機器人制造裝備、智能機器、增材制造裝備等已成為美國國防高端智能制造裝備發展的潮流
  
  美國在機器人增材制造裝備、復合材料制造裝備以及自動化裝配裝備等方面已取得重大突破。2015年11月,美國Arevo實驗室宣布建成世界上首臺機器人增材制造裝備。該裝備集成了德國ABB機器人公司的商用6軸機器人系統、熔融沉積成形3D打印技術、末端執行器硬件以及綜合軟件套件等,可實現航空航天高性能碳纖維增強熱塑性復合材料零部件的高效自動化制造,建造范圍在1000立方毫米~8立方米之間;NASA于2015年建成的世界最大的機器人復合材料纖維鋪放系統既是極端制造裝備的典型,也是機器人制造裝備的典型;2014年,波音公司“機身自動站立裝配”裝備通過技術驗證,已用于“波音”777飛機裝配。此外,波音公司將先進態勢感知、賽博實物系統等技術引入飛機裝配生產線中,構建智能裝配生產線,并應用于“波音”737和“波音”787飛機研制生產中;美海軍金屬加工中心開展了多型水面艦艇加強筋制造自動化工裝裝備研究,可大量節省艦艇加強筋的建造成本。
  
  3.復合化
  
  工藝復合化、功能復合化已成為高端制造裝備提高效率、節約成本的重要發展方向。美國通過工序復合、工藝復合、模塊化設計等方式,建成增減材制造裝備、“攪拌摩擦焊裝備庫”等復合化國防高端制造裝備。2015年5月,“美國造”創新機構宣布,基于模塊化設計方案,首創建成兼具數控加工能力和激光工程化凈成形金屬增材制造能力的增減材復合制造裝備,預示著制造企業和生產車間能以較低成本、較高效率對現有數控機床進行升級改造,使同一機器同時具備增材制造和減材制造雙重工藝能力,進而大幅提升生產能力和成本效益。2016年,NASA將基于“攪拌摩擦焊裝備庫”建成SLS第一級,其中有5套裝備用于焊接制造貯箱的筒型結構、圓形封頭、連接環箍結構等分系統及其部件,“垂直集成中心”則完成各種大型部件的裝配集成。未來,機器人與常規制造裝備的復合化、基于賽博實物系統的智能機器互聯將是復合化發展的新潮流。 


4.太空制造
  
  為滿足未來在太空按需制造零部件,并進行自動化集成裝配的需求,NASA、DARPA等政府機構聯合太空制造公司、勞拉空間系統公司、諾格公司、奇點大學等工業界和學術界的力量,致力于發展太空3D打印制造裝備和太空機器人一體化的制造裝備。目前,太空制造裝備發展已在一些領域取得突破。
  
  太空3D打印制造裝備研制取得階段性成果
  
  2011年,NASA授權太空制造公司開展零重力3D打印機研究。2014年,該公司研制的首臺試驗型零重力3D打印機被送往國際空間站;2015年2月,完成了首輪太空3D打印試驗;2016年3月底,第二臺太空3D打印機被送往國際空間站,并于6月打印出首個工具扳手,成為人類歷史上首臺商用太空制造裝備。
  
  太空機器人集成制造裝備研發加速推進
  
  2015年8月,DARPA授權勞拉間空系統公司研究在太空制造通信衛星的機器人裝備(“蜻蜓”項目);2015年12月,勞拉間空系統公司宣布已與NASA簽署合同,將在DARPA“蜻蜓”項目基礎上,發展利用機器人在太空制造、裝配航天器和太空結構的技術(“臨界點”項目)。兩個項目都致力于發展太空機器人集成制造裝備。
  
  太空機器人集成制造裝備和3D打印機制造裝備的一體化系統成為發展重點
  
  2016年,NASA已投資2000萬美元,授權太空制造公司、諾格公司以及海洋工程太空系統公司等,實施“多功能太空機器人精密制造與裝配系統”(Archinaut)項目,旨在研發裝有多個機械臂的3D打印機,并將其安裝在國際空間站上,未來可利用Archinaut的機械臂,在軌拆卸廢棄航天器上的可用零部件或在軌打印零部件,并組裝新航天器。太空制造公司負責制造Archinaut的3D打印機,海洋工程太空系統公司負責制造打印機上的機械臂,諾格公司負責為系統工程、電子控制、軟件和測試等提供支撐。此外,太空制造公司2016年2月稱,5年內有望實現在軌制造和裝配通信衛星反射器或其他大型結構。
  
  三、發展模式
  
  美國通過國家層面的統籌建設和發展,以及政府、工業界、學術界的協同創新模式,大力推進國防高端制造發展,支撐世界一流武器裝備研制,加速國防制造業變革,提升制造業國際競爭力。
  
  1.以武器裝備需求為牽引,從國家層面統籌建設和發展
  
  美國將國防高端制造裝備,特別是重大制造設施,視為國防建設的核心戰略資源,并以武器裝備發展需求為牽引,從國家層面對其進行統籌建設和發展。通過加強管理,加大政府投入,充分發揮制造創新機構、DARPA、NASA等機構的主導作用,推動重大國防高端制造裝備與武器裝備研制的穩步協調發展,保障武器裝備始終處于世界領先水平。
  
  2.采取政產學研用結合的協同發展模式
  
  美國立足國家大工業基礎,集中優勢力量,采取政產學研用聯合攻關模式,進行重大國防高端制造裝備的研發建造。例如,“增減材混合制造裝備建造”項目由“美國造”創新機構資助,美國Optomec公司牽頭,聯合MachMotion公司、TechSolve公司、洛馬公司以及美陸軍貝尼特實驗室等共同完成。2016年2月,美國發布的首個《國家制造創新網絡計劃戰略規劃》指出,要發揮政產學研用的力量,推動先進制造技術與裝備發展,加速整個國家的制造業創新。
  
  3.充分發揮小企業的創新優勢
  
  美國政府通過“小企業創新研究計劃”,鼓勵和幫助具備創新能力的小企業將實驗室研究成果轉化為產品,為開展創新提供了良好條件和機制。例如,根據計劃,NASA每年通過項目招標、項目評估等確定創新項目。這些創新項目的政府投入一般不超過100萬美元,卻能激發小企業的潛力。太空3D打印制造裝備就是由NASA聯合小企業共同完成的,充分發揮了太空制造公司、3D系統公司、層系統公司等小企業的創新優勢。
  
  4.注重經濟可承受、可持續的發展方式
  
  國防高端制造裝備發展過程中,在滿足需求、保證性能的同時,美國始終注重裝備制造的經濟可承受、綠色環保、可持續的發展。例如,在發展世界頂級攪拌摩擦焊裝備時,NASA和波音公司注重應用模塊化設計模式,為制造裝備的升級改造奠定了良好基礎;盡量使用和改造現有設備和工藝,以節約成本;注重可擴展性和可持續性,以滿足三種SLS構型第一級結構的需要;還采用了安全可靠、綠色環保的制造工藝。 

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