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先进制造领域的核心技术发展预测

2008年01月02日 08:40中国机床商务网点击:2807

制造业是国民经济的物质基础,国家安全的重要保障,国民经济高速增长的发动机及国家竞争力的主要体现。作为制造业赖以生存和发展的基础先进制造技术,将在中国走新型工业化道路、全面建设小康社会、迈向制造强国的进程中起关键性作用。
  世界先进制造技术出现了新的发展趋势
  随着经济全球化进程的加快,先进制造技术呈现出新的发展趋势,可归纳为以下4个方面:
  1 绿色制造
  面对日趋严峻的资源和环境约束,世界各国都在制定可持续发展规划,推行绿色制造技术。例如,德国制定了《产品回收法规》,日本等国提出了减少、再利用及再生的3R(Reduce、Reuse、Recycle)战略,美国提出了再制造(Remanafacturing)及无废弃物制造(Waste -free Process)的新理念,欧盟将颁布“汽车材料回收”法规。绿色制造技术不单是从环境出发考虑,而是包括资源、环境和就业三个方面的可持续发展战略。推行绿色制造既给制造业的发展提出了严峻的挑战,同时也创造了很好的机遇。
  2  高技术化
  科学技术特别是生物、纳米、新能源和新材料等高技术的迅猛发展,给先进制造技术带来了深刻的变化。制造业是高技术的重要载体,而高技术又为制造业前瞻性发展提供了技术支撑。制造已经从经验走向科学,从追求生产率和优化产品的可制造性走向可预测性的高品质、高技术含量产品的研究开发,面向可预测性也从宏观预测发展到微观乃至原子尺度品质预测。今后的制造将是基于科学的制造,大批技术含量高的先进制造技术及产品也在不断涌现,同时更值得重视的是出现了崭新的如纳米制造技术及生物制造技术等制造技术。
  3  信息化
  信息技术与制造技术的融合将进一步给制造技术带来巨大的、革命性的变化。将传感技术、计算机技术、软件技术“嵌入”制造业,实现产品的信息化与数字化,不仅可以提高其性能,还可使之具有“智能”,从而满足国民经济和人民生活日益增长和个性化、多样化的需求、设计及制造过程的数字化、信息化与智能化的最终目标是要快速开发出产品或装备、努力实现大型复杂产品一次开发成功。信息技术的应用将大大提高制造装备的精度与效率,并实现自动化与智能化。在经济全球化的格局下,基于网络的制造技术将得到广泛应用,制造装备和制造系统的柔性与可重组将成为2 1世纪先进制造技术的显著特点。经济全球化及激烈的市场竞争,彻底改变了制造业的传统观念和生产组织方式,基于全球网络化制造的虚拟企业生产方式促进了现代管理理论的发展和创新, 全球正在兴起“管理信息化” 的浪潮。
  4 极端制造
  制造技术正在从常规制造、传统制造向非常规制造及极端制造发展。极端制造是指在极端条件或环境下,制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统。当前,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。例如制造空天飞行器、超大型发电设
备、超大型冶金和石油化工设备等极大尺寸和极强功能的重大设备,制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。以大型金属构件塑性成形制造为例,二战以后,美、俄、法等国建造了一批4.5万吨到7.5 万吨的巨型水压机,从而迅速提高了大型飞机制造能力及洲际运载能力。再以微制造为例,纳米技术和微纳系统是2 l世纪高技术的制高点,而微制造则是其基础。因此,先进制造技术的一个重要前沿领域是探索极端制造规律与应用。
  
  未来1 5年推动我国产业发展最重要的核心技术
  “未来l 5年先进制造领域对我国产业发展最重要的核心技术是什么”?在我国能源、资源环境和先进制造三个重点技术领域的技术预测中,共有139位来自企业、研发机构、高校以及国外的专家从各自的角度提出了自己的看法。经过归纳统计分析,集成了未来15年先进制造领域对我国产业发展最重要的l4类核心技术。
  1.高档数控机床及基础制造装备关键技术
  高档数控机床与基础制造装备是工业现代化的基石,也是保证国防工业和高技术产业发展的战略物资。我国工业的现代化,特别是制造业的现代化,需要装备制造业提供先进的制造手段。我国在数控机床共性关键技术研究、数控机床开发数控系统和普及型数控机床产业化工程研究等方面取得了一定的进展,在一些共性技术和关键技术上有重大突破,但整体上与工业发达国家相比,仍存在比较大的差距。按价值计,数控机床70%依赖进口,高档数控机床几乎全部依赖进口,电子工业专用设备90%依赖进口。因此,专家建议将高档数控机床及基础制造装备作为核心技术,以增强我国制造基础装备水平,提高我国制造业的国际竞争力。
  2.数字化、智能化设计制造与管理技术
  21世纪初期的制造业,正在从以机器为特征的传统技术时代,向数字化、智能化和系统化技术时代迈进,将进入增强企业在不可预见的多变环境中快速响应能力的敏捷制造阶段,以及合理开发利用资源、保护生态环境、实现经济一社会一环境相互协调和可持续发展的绿色制造阶段。数字化、智能化设计、制造和管理技术是以信息化带动工业化的突破口,是提高产品质量、生产效率,降低消耗,带动产品设计方法和工具创新的重要手段,是推动产业发展的核心技术。
  3.小于45nm极大规模集成电路专用设备关键技术
  目前,国#b90nm成套设备已投入使用,65nm以下设备正在逐步进入市场。300 mm 晶片生产设备已成熟供应;适应65nm~90nm 工艺要求的一代新设备已开发成功。我国制造的集成电路专用设备总体上为0.5 m技术水平,与国外相差5个技术档次;在加工晶片片径方面,国外l2N 寸设备已经成熟,我国8英寸产品尚处于试制阶段;从产业发展看,当前我国新建的集成电路制造厂几乎都是从国外进口设备。面对集成电路需求量大、应用面广、带动作用强、经济效益显著的发展趋势,必须打破技术限制,把振兴我国的集成电路专用设备产业作为信息产业发展中的重中之重。
  4.微米/纳米制造技术
  随着人们对许多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求,使零部件的尺寸日趋微小化。进入人体的医疗机械和管道自动检测装置等都需要微型的齿轮、电机、传感器和控制电路,这些需求带动了微细加工和纳米制造技术的发展,也促使了微型机械向系统化方向发展,并形成了有广阔发展前景的微机电系统(MEMS)。我国在微机械研究方面,先后研制出静电、电压和电磁式的微电机,微泵与微阀、压电与形状记忆合金微夹钳以及微操作系统模型等, 建立了两个微加工基地(IC,LIGA)和一个项目研究中心。
微型机械在国外已受到政府部门的重视。世界上纳米科技水平最先进的国家是美国、日本、德国、英国。目前世界上已实现商品规模生产的纳米材料有:金刚石、磁性材料、金属、陶瓷、复合材料、半导体材料、生物医用材料等。因此,我国应重视发展微米/纳米制造技术,并从战略高度部署微纳系统的设计技术、微型装配与封装技术、微纳测试与表征技术等方面的研究,提高我国在未来l0年乃至20年在国际上的竞争地位。
  5.百万千瓦级核电机组设计制造技术
  核能是一种清洁、可以大规模开发利用的能源。目前,国际上核能广泛采用的压水堆属于热中子反应堆。世界核电技术发展经过了第二代及第二代改进型商业运营后,研究开发了采用非能动安全技术的第三代技术,目前已开发了l00万千瓦、l50万千瓦大容量的第三代核电机组。此外美、英、德、瑞士、日、法等国,正共同合作研究开发第四代核电技术,以能满足固有安全性、可持续发展、防止核扩散和核材料丢失等为原则,预计在2030年后才能得到商业化的发展。
  我国核电建设已由起步阶段步入小批量建设阶段。目前,我国已能自主设计和制造30万千瓦的压水堆核电站,具备了自主设计60万千瓦压水堆核电站的能力,但还不具备独立设计、制造百万级核电站的能力。与国际核电发展先进国家相比,尚有较大差距。为此,从建立我国多元、稳定、安全、合理的能源结构角度出发,发展掌握l00万千瓦核电机组设计制造技术,形成自主创新能力,无论从国家的宏观政策、电力市场需求,保护资源,改善环境、以及能源的可靠供应及核能的安全性考虑,还是从发展和稳定核工业体系和人才队伍的角度来看,都是十分必要的。
  6.流程工业绿色制造与自动化技术
  当前,我国钢铁、有色金属、石油化工及轻纺工业和建材工业等大多数资源加工工业,在研究开发若干共性平台技术、界面匹配技术、流程集成新技术和动态运行技术(包括信息化、智能化调控系统)的基础上优化集成,形成新一代绿色制造流程,为国民经济和人民生活提供各种高性能和低成本的绿色材料。在流程工业绿色制造与自动化技术方面,根据我国国情,专家建议的重点技术项目包括:新一代炼焦炉(sC0PE一21)关键技术;熔融还原一薄带连铸技求低成本、高效、绿色的结晶钢生产平台;百万吨级乙烯生产工艺及关键设备成套技术;节能型建筑材料绿色制造技术与设备;轻纺新材料绿色制造技术与设备。
  7.节能轿车和新能源汽车技术
  第一, 发展安全、环保、节能型汽车。
  第二,注重柴油车、电动汽车和代用燃料汽车的研究。在这方面,动力蓄电池的技术突破使纯电动汽车在特定领域得到应用;混合动力汽车开始批量生产,投放市场; 氢能燃料电池汽车技术不断取得新的突破, 开始步入商业化示范阶段。
  第三,汽车电子技术引发汽车技术的全面变革。
  第四, 汽车轻量化促进材料、结构和制造技术的发展。
  第五, 各国政府积极通过技术法规引导汽车技术的发展方向。
  我国汽车工业的研究开发能力和产品综合技术水平经过20多年的发展有了较大提高, 已经取得了许多重要成果,但仍然没有改变我国在世界汽车工业发展中的弱势地位, 尤其是不具备发动机自主开发能力和关键零部件基础薄弱的状况正在成为制约我国汽车产业持续发展的瓶颈。
  要解决上述问题就必须从基础入手,迅速建立我国自主产品开发基础平台,提高应用研究技术实力和对核心关键技术的掌控能力。
  8.高速铁路成套装备设计制造技术
  国际高速铁路的发展主要是在快速、高速客运装备等方面。客运快速化、高速化是近半个世纪以来世界铁路客运发展的一个重要趋势,快捷、重载货物运输是世界铁路货运发展的两个重要方向。其中快捷货物运输自20世纪80年代起在世界各主要路网逐步发展起来,走在前列并具有代表性的是德国和法国,列车最高速度达到160km/h。重载货物运输主要利用铁路现代化装备,大幅度增加货物列车编组辆数,提高列车重量,采用一台或多台大功率内燃或电力机车牵引的组织方式,有效地提高铁路的运输效率和效益,形成了以美、加铁路为代表的重载单元列车和以前苏联铁路为代表的超长超重组合列车两种形式。
  我国在货运重载、客运提速装备以及铁路信息化和建立行车安全保障体系等方面取得了重大的成就,但我国轨道交通装备与国外存在较大差距。其中在高速客运干线列车最高运行速度、在牵引动力装备等方面,远远落后于国外领先国家。另外,在线路维修装备、信息化装备、信号和行车安全保障装备、安全保障体系等方面,我国尚处于起步研究阶段,自主产业基础技术远未达到国际最先进水平。因此,将高速铁路成套装备设计制造技术作为核心技术发展,提升我国高速铁路成套技术水平与装备的产业化能力, 从根本上解决铁路运能与需求的矛盾。
  9.网络家电技术
  智能网络家电是将数字技术、网络技术和智能控制技术应用到传统家电而形成的。主要研究开发模糊控制技术、模糊控制传感器、变频技术、数字技术和网络技术等在家电产品中的应用,也就是说,形成一个智能的、可以遥控的家庭网络。自去年以来,全球范围内掀起了研究开发家庭网络技术的热潮,我国有关标准组织例如中国通信标准化协会正在研究制定相关的技术标准,海尔等企业也在积极开发网络家电产品。家用电器与人民生活密切相关,具有巨大的市场空间。我国已成为家用电器的生产大国,也是我国有一定比较优势的产业。因此面对正在兴起的网络家电热潮,我国只有尽快构造出网络家用电器的体系结构,形成我国自己的系统专有技术,才能与发达国家在未来的网络家用电器国际竞争中取得优势地位。
  10.网络制造技术
  网络化制造是指面对市场机遇,针对某一市场需要,利用以因特网为标志的信息高速公路,灵活而迅速地组织国际和国内的制造资源,把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力,按资源优势互补的原则,迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体— — 网络联盟企业, 以便快速推出高质量、低成本的新产品,迅速占领市场。
  实践证明, 诸如网络制造等先进生产模式的应用比硬技术的进步对经济增长的贡献更大。
  1 1.超临界和重型燃气轮机发电设备设计制造技术
  目前,美、俄、日、西欧等国家设计制造的超临界机组和高效超临界机组已成为火力发电的主力机组,美国最大单机超临界机组容量达到130万千瓦,日本100万千瓦。国际上整体煤气化联合循环(IGCC)、增压流化床燃烧(PFBC)技术发展也十分快,目前都已经过多年示范运行,开始进入商业化应用阶段。
  我国发电设备制造业经历了半个多世纪的建设与发展,取得了重大的成就。具备了批量生产30万千瓦机组和60万千瓦机组的条件和能力,其性能参数和机组可靠性已达到国际先进水平。在燃气轮机关键技术研究方面,引进了国外的重型燃气轮机联合循环机组制造技术,目前正处于消化吸收阶段。因此应加大自主开发的力度。
  1 2.绿色制造技术
  20世纪9O年代国际上提出了绿色制造又称清洁生产和面向环境的制造。目前,世界各国在绿色产品设计、绿色洁净生产、废旧产品的回收利用和再制造等方面都开展了大量研究和开发工作,并取得了初步成果。美国于90年代初建立了国家再制造与资源回收中心以及再制造研究所、再制造工业协会。欧洲也通过了支持再制造的相关法律法规。日本富士施乐公司在国内建立废弃复印机回收点。可以预见,21世纪的制造业将是清洁化的制造业,谁掌握了绿色生产技术,谁的产品符合“绿色产品” 标准,谁就掌握了主动权,就会在竞争中取得成功。
  有理由相信绿色制造技术将在本世纪大显身手,成为制造业的主要发展模式。推行绿色制造既给制造业的发展提出了严峻的挑战,同时也创造了很好的机遇。
  1 3.深海资源开发装备设计制造技术
  21世纪是人类全面认识、开发利用和保护海洋的新世纪。据不完全统计,2000年世界海洋产业总产值已近1.5万亿美元,预计2010年将超过 3万亿美元。海洋经济必将成为世界经济中一个引人注目的新增长点。随着全球性海洋资源开发的展开,深海资源的开发备受关注,其中世界各国对海洋装备包括探测装备、开采装备及大型与超大型海洋结构物(VLFS)以及海洋工程装备的深水化技术的需求与日俱增。
  据预测,中国石油需求量2005年为3亿吨,2010年将达3.5亿吨,2020年近5亿吨。海洋油气开发将是我国油气产量的主要增长点。面对世界海洋经济的发展势态,面对我国经济持续发展对能源的迫切需求,发展海洋工程装备对我国未来经济、社会长期持续稳定发展具有重大战略意义。
  1 4.关键基础件设计制造技术
  基础元器件(简称基础件)是组成产品最小的功能单元,它的性能、质量、寿命和可靠性直接关系着主机的性能、质量、寿命和可靠性,它的技术水平决定了主机的水平,没有高水平的基础元器件就没有高水平的主机。关键基础元器件主要有传感器、功能材料、轴承、齿轮、液压件、气动件、密封件等。
  随着基础件的不断发展,其呈现出如下的发展趋势:以新原理、新功能、新结构、先进制造和新工艺为主的新一代基础元器件不断涌现,引领主机产品技术发展;产品设计向个性化、多样化方向发展,以满足各行各业主机发展需要;产品质量向更高性能、更高寿命、更高可靠性方向发展,促使主机性能、质量和可靠性的不断提高;制造技术向系统化、自动化和智能化的方向发展,确保产品质量、降低成本,争夺市场;为实现节能、节材和环境保护、无污染的目标,不断研究新技术、开发新产品。因此,把关键基础件设计制造技术作为核心技术,对提高我国主机的性能和水平,从而提高我国制造业的国际竞争力具有重要意义。
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