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    中國制造業現狀及國際先進制造技術發展趨勢

    本報告是中國工程院院士、清華大學機械工程系柳百成教援,在JIC投資論壇全球高端制造業發展和機遇上的主題演講實錄,講述制造業的現狀、面臨的挑戰和國際先進制造技術的發展趨勢,主要從學科的發展角度跟大家做個介紹。報告分四個方面,第一是制造業的現狀;第二是制造業面臨的新挑戰;第三重點講一下國際先進制造技術發展趨勢;第四是結束語。

     

    一、制造業的現狀

     大家知道,制造業,特別是裝備制造業是國民經濟和國防建設、建設創新型國家的支柱型產業,具有重要的戰略和現實意義。我國制造業取得了舉世矚目的成就,比如30萬噸的油輪、國防的轟炸機和殲擊機等,但我今天著重要談的是,我國已經是制造大國了,我國制造業已經從2011年開始超過美國成為了世界第一制造大國,但還遠不是制造強國。為什么不是制造強國?主要表現為創新能力不強。根據統計數據,我國的研發投入占GDP的2.08%,這在原來的基礎上已經是有了突飛猛進的發展。但是,和工業發達國家相比,仍然較低,美國在2.9%的基礎上還要追加。國際上投入比較高的,比如說瑞典,都大于3%。從企業研發投資來講,我國企業研發投入平均在1.2 %,國際上的規則,不大于3%的企業是不可持續發展的。美國、德國、日本分別是4.9%、2.9%、3.8%。我國整個的研發投入很高,可是人均研發投入方面我們是德國、美國、日本的18%、22%、36%。我們目前芯片80%是進口的,我們的數控系統70%是進口的。2012年的統計,我們國家機床的出口是27.5億美元,而進口是136.6億美元,最近保持在1:6的階段。這是我想談的第一個問題,所以我們要提升制造業,發展高端制造業。

     

    二、制造業面臨的新挑戰

     第二個問題,我國缺少核心關鍵技術?;A設計和制造技術薄弱,低端過剩、高端尚未形成。我國的大飛機C919進展很快,正在上海組裝,但里面的發動機都是依賴于進口。我國有16項科技重大專項,其中一個就是高檔機床,我們投入了400多個項目,但都因為可靠性差,很多項目沒有得到驗收。所以我們還是低端過剩,高端缺乏。另外,我們資源浪費,污染嚴重,我國GDP在2010年占世界的7.5%,我們的人口占全世界16.6%,我們靠了大量的能源、勞動力才取得了GDP占世界的7.5%,我們單位能耗是世界平均能耗的2.6倍,空氣污染十分嚴重,我國的資源浪費和污染嚴重必須要改進。

     第二,制造業又面臨了新的挑戰。工業發達國家要重新發展制造業,金融危機以后西方國家痛定思痛,發展以信息技術與制造技術深度融合為主要特征的新一輪的科技與產業革命,既是挑戰也是機遇。比如說數字化、智能化的制造技術已經成為國際制造業發展的趨勢,包括互聯網技術、云計算、大數據,最近美國號稱大數據有很大的優勢,因為全世界的超級計算機美國占了一大半,全世界重要的工業軟件80%是美國開發的。我們的造船工業、航空工業,有不少軟件都是美國開發的,同時新能源、新材料新的發展也推動了產業革命。

     先看下美國的例子,美國的PCAST是美國總統科技顧問委員會,美國2012年提出來要重振制造業在全球的領先地位,而且繪制了路線圖。2012年3月,美國宣布成立制造創新網。這是國家的研究中心,其中第一期就是3D打印、數字化制造和設計、輕量化材料的制造等。第二期正在試點,計劃要建15個。

     德國工業科學院提出了工業4.0,它特別強調把物聯網與服務應用到制造領域,能自我預測、自我維護和自我組織學習。美國、英國也不甘落后,比如說航空發動機企業融合于網絡的發展,網絡化、數字化、智能一體化。航空發動機公司已經從過去賣發動機到提供服務,從制造業發展成了現代制造服務行業。

     

    三、國際先進制造技術發展趨勢

     第三,制造業存在三大問題。工業發達國家要重振制造業,當然也是給我們提供了機遇,我重點講一下國際先進制造業的發展趨勢,可以歸納為四個方面:

     趨勢一,制造技術與高技術的集成。我仍然舉航空發動機的例子,我們發動機需要研發耐高溫技術,需要在葉片上有冷卻,表面要經過陶瓷涂層,這個陶瓷涂層可以保持300多攝氏度的高溫,可以使葉片工作在1700攝氏度的溫度上。

     趨勢二,現在比較普遍的數字化、智能化的制造技術。大家知道波音777,是第一臺無圖紙飛機上線的典范,全部用計算機設計。最近發展到787,我們國家剛剛引進了幾架,787里面有比777超前的一部分。發展到787,研發速度好,設計速度好,所以設計、制造、研發全生命周期都好。下面可以舉一些例子,比如說,波音公司原來的767,花了大量的金錢和時間?,F在到了數字化時代,用了超級計算機,大大提高了效率,這是最近的例子。關于數字化、智能化的問題,美國國防高級研究計劃署早就提出來了,過去研發周期從飛機的起落架材料一直到起落架產業化要12年,時間太長了。美國的口號是,發展先進制造技術要比原來的研發周期縮短一半,比原來的研發成本要降低一半。還有很多例子,美國通用電氣公司采用超級計算機模擬優化,用50到100萬CPU時間模擬和優化了航空發動機噴嘴的燃燒過程,大大降低了制造成本。這時提出來要做到工藝組織性能的模塊化,在制造以前就可以預測到工藝是優化的。美國最近提出了材料基因技術,前提就是發展一個集成計算材料工程。它的目標是降低研發費用,縮短研發周期,比如說航空發動機的葉片,美國可以做到成品率大概在80%到90%左右。這方面,我們也通過了國家973等項目,是清華大學和航空材料研究院一起研發,對于真正的航空發動機葉片,我們采取了工藝組織性的探索,能夠大大降低廢品率,提高成品率。

     下面再談一下關于生產制造。這方面美國最近有很大的進展,美國通用電氣已經批量生產發動機噴嘴。我們國家最近幾年也有一個計劃,比如說西北工業大學和北京航空航天大學在鈦合金制造方面做得很好,包括在飛機上的再利用,已經做到了5米高、3.5米寬的鈦合金組件。數字化和智能化成為了一個制造單元,習總書記講到了機器人,一下子我們的機器人就熱起來了,但機器人方面我們國家還有若干個關鍵的元器件沒有掌握。對汽車發動機的缸體制造,是組成了一個單元,就是在三個機器旁邊配若干個機器人。因此,所謂智能化,按我的理解,應該是數字化的裝備,加上數字化軟件,再加上機器人,組成一個完整的智能化裝備。

     趨勢三,極端工作條件下的制造技術。我們國家已經做出了世界上最大的鑄件,520噸。國外最大的是400噸,需要的鋼水是280噸。但是,我們的鑄件質量和國外仍有相當的差距。因此,我們和中國一重開展了研究,就是如何消除廢品率。

     趨勢四,輕量化、精密化、綠色化的制造需求。大家知道,綠色可持續發展制造技術就是簡單化、再回收,因此綠色制造和可持續發展制造,不僅僅是制造、回收、再制造,而應該從源頭抓起,從簡單化開始抓起。宏觀來講,提高產品質量、降低廢品率、提高生產率、減少研發投入,是綠色可持續發展的重要組成部分。第一,要發展輕量化制造技術,新能源汽車是方向。但我們還要關注到節能車的重要特征,每降低10%的汽車重量可以提高熱效率7%,可以降低污染10%。目前我國的汽車產量是2000萬輛,今年預計電動車到5萬輛。國外的汽車已經從黑色合金向鋁合金和鈦合金發展。美國通用汽車公司大概2012年前公布的數據,每一輛汽車已經減輕了325鎊。采用鋁合金還有一個好處,就是可以使用綠色材料。

     

    四、結束語

     最后講結論。第一,制造業,特別是裝備制造業,是建設創新型國家的重要工業。我國已經是制造大國,但遠不是制造強國。制造業面臨著創新能力薄弱,核心和關鍵共性技術缺乏,資源浪費,污染嚴重,要發展高技術含量制造技術、數字化智能化制造技術、超大型化微納化技術。我國正在制定中國制造2025,他山之石可以攻玉,但我們不要照抄。我們的目標是,到2025年,中國能從制造大國進入到制造強國的行列。制造強國的標志是什么?第一,要有雄厚的產業規模;第二,要有強大的創新能力;第三,要有優化的產業結構;第四,要有良好的質量效益;第五,要有持續的發展潛力。


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