极端制造是战略必争之地 如何让中国领跑世界?

极端制造,让人马上联想到是在极端环境下制造,制造出惊人的产品,挑战常规技术。用搜索只发现国内收录的中南大学的“高性能复杂制造实验室”并无更多的研究。

事实上,中国的技术在极端制造领域已经留下烙印,譬如“世界第一长的无缝钢管”的诞生达到国际领先水平。

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。

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。

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。

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