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中国制造业现状及国际先进制造技术发展趋势

——中国工程院院士柳百成教授在JIC投资论坛主题演讲实录

2015年01月26日 09:45中国机床商务网点击:4331

  【中国机床商务网 市场分析】本文是中国工程院院士、清华大学机械工程系柳百成教授,在2014年10月25日的JIC投资论坛“全球高端制造业发展和机遇”上的主题演讲实录,讲述制造业的现状、面临的挑战和先进制造技术的发展趋势。根据录音整理,未经本人确认。
  
  我今天的报告题目是中国制造业现状及国际先进制造技术发展趋势,主要从学科的发展角度跟大家做一个介绍。我的报告分四个方面,第一是制造业的现状;第二是制造业面临的新挑战;第三重点讲一下国际先进制造技术发展趋势;第四是结束语。
  
  一、制造业的现状
  
  大家知道,制造业,特别是装备制造业是国民经济和国防建设、建设创新型国家的支柱型产业,具有重要的战略和现实意义。我国制造业取得了举世瞩目的成就,比如30万吨的油轮、国防的轰炸机和歼击机等,但我今天着重要谈的是,我国已经是制造大国了,我国制造业已经从2011年开始超过美国成为了世界第一制造大国,但还远不是制造强国。为什么不是制造强国?主要表现为创新能力不强。根据统计数据,我国的研发投入占GDP的2.08%,这在原来的基础上已经是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%的基础上还要追加。国际上投入比较高的,比如说瑞典,都大于3%。从企业研发投资来讲,我国企业研发投入平均在1.2%,国际上的规则,不大于3%的企业是不可持续发展的。美国、德国、日本分别是4.9%、2.9%、3.8%。我国整个的研发投入很高,可是人均研发投入方面我们是德国、美国、日本的18%、22%、36%。我们目前芯片80%是进口的,我们的数控系统70%是进口的。2012年的统计,我们国家机床的出口是27.5亿美元,而进口是136.6亿美元,最近保持在1:6的阶段。这是我想谈的第一个问题,所以我们要提升制造业,发展高端制造业。
  
  二、制造业面临的新挑战
  
  第二个问题,我国缺少核心关键技术。基础设计和制造技术薄弱,低端过剩、高端尚未形成。我国的大飞机C919进展很快,正在上海组装,但里面的发动机都是依赖于进口。我国有16项科技重大专项,其中一个就是高档机床,我们投入了400多个项目,但都因为可靠性差,很多项目没有得到验收。所以我们还是低端过剩,高端缺乏。另外,我们资源浪费,污染严重,我国GDP在2010年占世界的7.5%,我们的人口占全世界16.6%,我们靠了大量的能源、劳动力才取得了GDP占世界的7.5%,我们单位能耗是世界平均能耗的2.6倍,空气污染十分严重,我国的资源浪费和污染严重必须要改进。
  
  第二,制造业又面临了新的挑战。工业发达国家要重新发展制造业,金融危机以后西方国家痛定思痛,发展以信息技术与制造技术深度融合为主要特征的新一轮的科技与产业革命,既是挑战也是机遇。比如说数字化、智能化的制造技术已经成为国际制造业发展的趋势,包括互联网技术、云计算、大数据,最近美国号称大数据有很大的优势,因为全世界的超级计算机美国占了一大半,全世界重要的工业软件80%是美国开发的。我们的造船工业、航空工业,有不少软件都是美国开发的,同时新能源、新材料新的发展也推动了产业革命。
  
  先看下美国的例子,美国的PCAST是美国总统科技顾问委员会,美国2012年提出来要重振制造业在全球的领先地位,而且绘制了路线图。2012年3月,美国宣布成立制造创新网。这是国家的研究中心,其中第一期就是3D打印、数字化制造和设计、轻量化材料的制造等。第二期正在试点,计划要建15个。
  
  德国工业科学院提出了工业4.0,它特别强调把物联网与服务应用到制造领域,能自我预测、自我维护和自我组织学习。美国、英国也不甘落后,比如说航空发动机企业融合于网络的发展,网络化、数字化、智能一体化。航空发动机公司已经从过去卖发动机到提供服务,从制造业发展成了现代制造服务行业。
  
  三、国际先进制造技术发展趋势
  
  第三,制造业存在三大问题。工业发达国家要重振制造业,当然也是给我们提供了机遇,我重点讲一下国际先进制造业的发展趋势,可以归纳为四个方面:
  
  趋势一,制造技术与高技术的集成。我仍然举航空发动机的例子,我们发动机需要研发耐高温技术,需要在叶片上有冷却,表面要经过陶瓷涂层,这个陶瓷涂层可以保持300多摄氏度的高温,可以使叶片工作在1700摄氏度的温度上。
  
  趋势二,现在比较普遍的数字化、智能化的制造技术。大家知道波音777,是第一台无图纸飞机上线的典范,全部用计算机设计。最近发展到787,我们国家刚刚引进了几架,787里面有比777超前的一部分。发展到787,研发速度好,设计速度好,所以设计、制造、研发全生命周期都好。

        下面可以举一些例子,比如说,波音公司原来的767,花了大量的金钱和时间。现在到了数字化时代,用了超级计算机,大大提高了效率,这是最近的例子。关于数字化、智能化的问题,美国国防高级研究计划署早就提出来了,过去研发周期从飞机的起落架材料一直到起落架产业化要12年,时间太长了。美国的口号是,发展先进制造技术要比原来的研发周期缩短一半,比原来的研发成本要降低一半。还有很多例子,美国通用电气公司采用超级计算机模拟优化,用50到100万CPU时间模拟和优化了航空发动机喷嘴的燃烧过程,大大降低了制造成本。这时提出来要做到工艺组织性能的模块化,在制造以前就可以预测到工艺是优化的。美国最近提出了材料基因技术,前提就是发展一个集成计算材料工程。它的目标是降低研发费用,缩短研发周期,比如说航空发动机的叶片,美国可以做到成品率大概在80%到90%左右。这方面,我们也通过了国家973等项目,是清华大学和航空材料研究院一起研发,对于真正的航空发动机叶片,我们采取了工艺组织性的探索,能够大大降低废品率,提高成品率。
  
  下面再谈一下关于生产制造。这方面美国最近有很大的进展,美国通用电气已经批量生产发动机喷嘴。我们国家最近几年也有一个计划,比如说西北工业大学和北京航空航天大学在钛合金制造方面做得很好,包括在飞机上的再利用,已经做到了5米高、3.5米宽的钛合金组件。数字化和智能化成为了一个制造单元,习总书记讲到了机器人,一下子我们的机器人就热起来了,但机器人方面我们国家还有若干个关键的元器件没有掌握。对汽车发动机的缸体制造,是组成了一个单元,就是在三个机器旁边配若干个机器人。因此,所谓智能化,按我的理解,应该是数字化的装备,加上数字化软件,再加上机器人,组成一个完整的智能化装备。
  
  趋势三,极端工作条件下的制造技术。我们国家已经做出了世界上最大的铸件,520吨。国外最大的是400吨,需要的钢水是280吨。但是,我们的铸件质量和国外仍有相当的差距。因此,我们和中国一重开展了研究,就是如何消除废品率。
  
  趋势四,轻量化、精密化、绿色化的制造需求。大家知道,绿色可持续发展制造技术就是简单化、再回收,因此绿色制造和可持续发展制造,不仅仅是制造、回收、再制造,而应该从源头抓起,从简单化开始抓起。宏观来讲,提高产品质量、降低废品率、提高生产率、减少研发投入,是绿色可持续发展的重要组成部分。第一,要发展轻量化制造技术,新能源汽车是方向。但我们还要关注到节能车的重要特征,每降低10%的汽车重量可以提高热效率7%,可以降低污染10%。目前我国的汽车产量是2000万辆,今年预计电动车到5万辆。国外的汽车已经从黑色合金向铝合金和钛合金发展。美国通用汽车公司大概2012年前公布的数据,每一辆汽车已经减轻了325镑。采用铝合金还有一个好处,就是可以使用绿色材料。
  
  四、结束语
  
  最后讲结论。第一,制造业,特别是装备制造业,是建设创新型国家的重要工业。我国已经是制造大国,但远不是制造强国。制造业面临着创新能力薄弱,核心和关键共性技术缺乏,资源浪费,污染严重,要发展高技术含量制造技术、数字化智能化制造技术、超大型化微纳化技术。我国正在制定中国制造2025,他山之石可以攻玉,但我们不要照抄。我们的目标是,到2025年,中国能从制造大国进入到制造强国的行列。制造强国的标志是什么?第一,要有雄厚的产业规模;第二,要有强大的创新能力;第三,要有优化的产业结构;第四,要有良好的质量效益;第五,要有持续的发展潜力。
(来源:中国机床工具协会)

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