单忠德:先进制造与智能制造助力高质量发展

选择字号:   本文共阅读 1227 次 更新时间:2022-05-05 21:42

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单忠德  


一、先进制造与智能制造发展状况

从过去的传统手工制造到后来的大工业、规模化生产,都是为了满足人们的生活需求。特别是今天,既要满足人民美好生活向往的需求,又要保证环境是友好的,真正实现“绿水青山就是金山银山”,这就需要更多的先进制造和智能制造技术与装备。

中国工程院和机械科学研究总院等单位近年来联合开展制造强国发展指数相关研究课题,对制造强国的指标体系进行了统计分析,旨在构建一个体系,更好地分析我国制造强国的发展路径,提出更好的发展措施和发展步骤。结合众多专家的意见建议,最后构建的制造强国指标体系如表 1 所示,共有规模发展、质量效益、结构优化、持续发展 4 个一级指标,细分为 18 个二级指标。

通过统计计算分析,得到了2018年 9个国家制造强国发展指数,如表2 所示。可以看出,在这些指标体系里面,我国处于第三阵列的第一名,美国领先处于第一阵列,德国和日本位于第二阵列。从 2012 年到 2018年,美国排名第一,指标分数达到了166.06,我国是 105.94。对

2018 指标具体分析来看:规模发展方面,我国是遥遥领先,稳居第一;质量效益方面,美国绝对优势依旧明显,中国排序上升一位,需要持续强化高质量发展;结构优化方面,美国排在前面,我国排在第四名;持续发展方面,我国跟美国、日本还有差距,我国需要进一步强化绿色发展,加强研发投入,实现好科技创新驱动发展。总体来看,美国在质量效益、结构优化、持续发展方面具有全面优势,德国和日本在质量效益、结构优化方面具有相对优势。我国目标是到 2035 年能够达到世界制造强国的中等水平,在持续巩固规模优势的基础上,更好地推进可持续制造与高质量发展。

由此看出,我们要实现高质量发展,需要用数字化、智能化制造技术来产生新的动能,来改造提升传统产业,推进传统制造业优化升级。数字化、智能化制造不仅为了制造高品质的产品,也希望制造过程是绿色的,手段能够变成智能的,真正能够实现高效、优质、低耗、安全地高品质制造。

目前,国外发达国家正在积极发展先进制造技术,如数字化制造、可持续制造等。美国发展的先进制造前沿技术如表 3 所示,美国能源部还成立了国家清洁能源智能制造技术与创新中心,目标是希望未来 5 年首批验证项目实现工厂或主要制造工艺能源效率提高 15%,现有的工艺中引入智能制造技术,实现成本和时间均减少50%,用数字化、智能化技术进一步优化提升。日本发布的《日本制造业白皮书(2018)》中明确提出,通过制造业自动化与数字化融合提高产品附加值,人工智能、物联网和互联工业等是日本制造业未来的发展重点。为推进“互联工业”,日本经济产业省确定未来五大产业领域方向,其中智能制造和机器人、智能生活是发展的重中之重。众所周知,德国发布了工业 4.0,通过分析发现德国制造市场竞争力主要来源于三个方面:一是开发和制造过程的高度自动化,确保产品的高质量;二是高新技术含量,尤其是数字化技术应用,赋予产品新功能;三是产品数字化控制、智能化、绿色化制造,发展服务型制造,最终还是通过软硬件的结合,真正实现互联互通,实现服务能力提升,提高资源生产效率,减少污染排放,实现柔性个性化生产。近年来,各国陆续发布了制造战略,德国出台了“高科技战略 2025”,英国发布了“英国工业

2050 战略”。可以看出,世界各国都在加大科研创新,增强核心竞争力,保证可持续发展,以能够实现未来制造的个性化生产。着眼未来,世界先进制造技术与装备的发展趋势是数字化、精密化、绿色化,然后是成线化,最终向生物制造即生物化的趋势发展。

二、先进制造与智能制造应用案例

传统产业依然是我国重要的基础制造产业,中央提出用数字化、智能化提升改造传统产业,推动传统产业优化升级,其实就是用数字化制造技术与装备促进传统制造业转型升级,包括用数字化制造技术改造提升传统产业,以及不断创新出新的数字化、智能化的制造方法、工艺和装备。这实际上是两条路径:一个是改造提升,一个是创新发展。下面是两个应用案例。

第一个例子是我们开发的数字化无模铸造复合成形技术与装备。铸造是重要的基础制造工艺,广泛应用于航空航天、动力机械等装备制造业,我国铸件产量世界排名第一。但是与发达国家相比,我国铸造精度较低,排放较高,迫切需要绿色高质量发展。针对这些需求,提出了数字化无模铸造复合成形方法,不用传统的金属模、木模去铸造,直接通过数字化挤压 + 切削 / 打印的方式,实现复杂铸件的高性能、高精度、高质量制造,用数字化的技术去提升传统铸造行业。研制出了系列化数字化无模铸造技术装备,如砂型 / 砂芯数字化柔性挤压成形机、无模铸造精密成形机等,变革了传统的砂型铸造的制造模式,解决了大型、复杂铸件的高精度制造问题,使成本降低 30% 以上,精度得到提高。例如,利用该技术研制的潍柴动力某直列六缸柴油机缸体,制造周期从原来六个月减少到了25 天,精度达到 CT8 级。应用于广西玉柴大型船用发动机,做出来的铸件重 3.5 吨,采用无模铸造的方式,精度提高了3 个等级,周期缩短了83%,成本降低了75%,同时零件还减重

15.4%,实现了高精度、高效率的制造。为此,机械科学研究总院在潍坊高新区建设了高端装备复杂零件个性化制造服务平台,实现了远程设计和个性化制造,在潍坊坊子区建设了山东省绿色制造技术与装备创新服务平台,针对铸造行业,推动绿色化的改造和新技术的应用,实现铸造行业的高技术化和绿色发展。

另一个例子是我们与山东康平纳集团公司等联合开发的筒子纱自动染色数字化绿色制造技术与装备,是针对传统纺织行业的数字化染色技术。我国是世界上最大的纺织品生产国和出口国,纺织工业是我国重要民生支柱产业。筒子纱染色是生产众多纺织品的重要工艺,但是筒子纱染色存在三大问题:一是用工密集、生产效率低;二是质量稳定性差;三是印染过程大量的用水,印染行业废水排放占到了纺织行业 70% 以上,成为纺织印染绿色发展的瓶颈,制约高质量发展。为此,采用数字化制造技术与装备推动传统印染行业转型升级,研发出筒子纱自动染色数字化柔性制造技术,研制出了纱卷无损自动装卸、节水染色机等数字化染色成套装备及控制系统,建成了100 多台设备全流程实时控制的立式节水自动染色生产线,实现了吨纱生产最大节水 70%,平均生产成本降低17.7%,能耗降低 40%以上,从而推动纺织印染行业的数字化绿色生产。

三、先进制造与智能制造未来发展

为了更好发展先进制造业,建设世界制造强国,实现中国创造、中国质量和中国品牌,数字技术、信息技术和制造技术融合发展是必然趋势。未来技术将聚焦人工智能、机器人、先进制造、传感器、信息存储与通信、云计算、大数据、物联网、区块链等,进一步推进能实现万物互联的世界,带来系列技术创新、产业创新和经济发展。新一代人工智能将提升制造竞争力,根据国家发布的发展规划:到 2030 年,人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平,成为世界主要人工智能创新中心,智能经济、智能社会取得明显成效,为跻身创新型国家前列和经济强国奠定重要基础。我国正在培育高端、高效的智能经济,大力发展人工智能新兴产业,加快推进产业智能化升级,大力发展智能企业,包括智能设备研发及产业化,起到了很好的作用。绿色智能制造技术能够引发新的产业变革。材料技术、零部件技术发展趋向于结构功能一体化、设计制造一体化、零部件智能化、制造过程绿色化。人机共融的智能制造模式、智能材料与 3D 打印技术,将推动批量生产转向高灵活、个性化、数字化生产模式。智能机器人、智能制造装备研发应用成为热点,基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等引领制造方式的变革。

例如,先进成形制造技术与装备的未来发展路线如图所示。以传统的铸造、锻压、焊接、热处理等领域为例,着眼未来发展,首先要解决造得出的问题,再一个就是“造得精”的问题,最终要实现“造得好”。面向 2035 年,一定是从“造得出”“造得精”,最后到“造得好”,融合绿色制造与智能制造技术,真正能够实现精准成形制造。对于潍坊市来说,要建设现代化

高品质潍坊,人是创新发展的主体与灵魂,持续致力于培育、引进人才与团队建设,实现人与企业、人与城市、人与自然的和谐发展。另外,要强化科技创新,引领高质量发展,不断进行实践,建设一大批创新型企业,使潍坊成为科技创新的领跑者、重大工程的支撑者、科技产业的主力军。同时,要营造氛围,让创新成为我们的自觉行动,发挥出潍坊市的综合优势,充分把创新第一动力的巨大潜能激发出来,建设创新型高品质的潍坊。要筹划建设山东省智能制造装备与先进制造潍坊实验室,以创新机构基地建设为统领,统筹资源,创新产学研合作的体制机制。同时,要建设创新创业的合作共同体,结合新时代的发展需求,以共同愿景、使命与目标,由创新联合体向创新共同体迈进,协力突破关键、短板技术。另外,潍坊市要坚持传统产业优化升级和培育壮大新兴产业并重,建立共性技术平台,再造产业技术基础,打造战略全局性产业链。

现代化城市建设要关注数字化、网络化、智能化技术的应用。数字化智能化网络化设计与生产制造一体化发展,不断优化制造工艺与装备,可以使其更加人性化和绿色化,包括高端装备的数字化互联互通、发展智能制造园区、绿色制造园区,使整个制造更加优化与节能高效。同时,还要关注制造业服务定制化、平台化的发展,特别催生高端装备及其零部件个性化定制生产及云制造等新模式、新业态,使整个的制造生产过程和流通环节更加绿色。智能制造是我国制造强国建设的主攻方向,潍坊已经实施了一大批智能制造项目,还要持续发展智能制造产业,实现智能技术、人工智能和制造业的深度融合,要坚持用数字化、智能化技术改造提升传统产业,促进传统产业的优化升级,建设更多的数字化车间和智能制造工厂。另外,强化科技创新支撑,大力培育创新优势企业,塑造更多依靠创新驱动引领发展,推进制造业向智能绿色转型,真正把人成为决策和优化的执行者,创新发展智能产品和智能装备,使未来制造更加智能化、绿色化和人性化。

习近平总书记多次强调,要加快建设制造强国,加快发展先进制造业,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合,在中高端消费、创新引领、绿色低碳等领域培育新增长点、形成新动能。支持传统产业优化升级,加快发展现代服务业,瞄准国际标准提高水平。促进我国产业迈向全球价值链中高端,培育若干世界级先进制造业集群。按照总书记的要求,我认为潍坊具有很好的先进制造基础,应加快成为发展先进制造业与高端装备,打造先进制造业产业集群与创新型企业集群的排头兵、主力军,为建设现代化高品质的潍坊,加快建设制造强国,构建人类命运共同体作出更大的贡献。

(作者系机械科学研究总院集团有限公司副总经理、中国工程院院士)

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