11项关键先进制造技术解读!

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楼主 2018-11-07 22:28:26
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◎文丨e-works整理

上届美国总统奥巴马非常重视制造业。其发起成立的“先进制造业合作委员会”,Advanced Manufacturing Partnership,就未来制造业的发展做出了展望,重点规划11个技术领域,认为这些领域将对制造业竞争力的决定起到关键作用,应当成为全国研发行动的重点。


01

【增材制造】

Additive Manufacturing




普遍称为3D打印的增材制造 已经成为新一轮工业革命的旗帜。它明显不同于以往,专业人士和爱好者都可用上,但增材制造不过是未来几年有望给很多东西的制造方式带来重大变革的一系列新兴技术之一。甚至增材制造也非仅限于3D打印。



一项刚刚崭露头角的工艺名叫“冷喷涂”,就是通过喷嘴喷射金属颗粒,由于速度很高,这些颗粒会相互结合、组成形状。通过精确控制喷嘴,机器操作员就可以像利 用3D打印机打印一样制造出齿轮之类的三维金属物体。物体就像是通过喷绘画出来的一样,哪怕是用钛之类的不常见金属,也都是可以完成的。


02

【传感、测量和过程控制】

Advancing Sensing, Measurement,

and Process Control






几乎所有先进制造技术都有一个共通的东西:它们都由处理巨量数据的电脑驱动。正因如此,那些捕捉并记录数据的东西才如此重要,如监测湿度的传感器、确定位置的GPS跟踪器、测量材料厚度的卡尺等。这些设备不仅越来越多地用于智能手机的智能化,还使得智能、灵活、可靠、高效的制造技术成为可能。


在一座现代化的工厂里面,传感器不仅有助于引导日益灵敏的机器,还提供管理整个工厂的运营所需要的信息。产品从诞生到送达都可以跟踪,某些情况下还可以跟踪 到送达之后。在这个过程中,一旦有问题出现,比如在喷漆室的湿度不适宜喷涂的时候,传感器就会侦测出来,向机器操作者发送警报信号,甚至是向工厂管理者的 手机发送警报信号。


03

【材料设计、合成与加工】

Advanced Materials Design, 

Synthesis, and Processing




新机器将需要新材料,新材料将使新式机器的制造成为可能。随着将材料细分到原子或分子层级、几乎不需要经过漫长的实验室步骤就可以进行操纵的进展出现,涂层、复合材料和其他材料的开发正在加快。



借鉴人类基因组计划取得的广受认可的成功,能源部等美国政府机构去年发起成立了材料基因组计划(Materials Genome Initiative), 其目标是将确定新材料、把新材料推向市场所需要的时间缩短一半。


目前这个过程可能需要耗时几十年,比如锂离子电池技术是20世纪70年代埃克森(Exxon)的一名员工首次构想出来的,但一直要到90年代才开始商业化。这个计划涉及的部分工作,便是让该领域内散落在世界各处、两耳不闻窗外事的研究人员共享创意和创新。


04

【数字制造技术】

Visualization, Informatics,

and Digital Manufacturing Technologies





工程师和设计师使用电脑辅助的建模工具已经有些年头,不仅用于设计产品,还以数字方式对产品进行检测、修正、改良,常常省略了更费钱、更费时的实体检验过 程。云计算和低成本3D扫描仪(现在用iPhone就可以做一次简单的3D扫描)正在将这些方法从尖端实验室里搬出来,使之进入主流,让创业者能够用上。 


Autodesk制作了一套免费的的全功能CAD软件“123 Design”,汽车制造商一度要用大型计算机才能完成的事情,个人拿这套软件就可以做了。


05

【可持续制造】

Sustainable Manufacturing





其目标即便不好实现,理解起来也还是很容易的,就是将每一丁点物质、每一焦耳能量最大化地用到生产当中,尽可能地减少浪费。高能效制造是其中的一个重点领域。


比如,制造业工程师常常会说到“无灯”工厂的潜力,这种工厂在黑暗中持续运转,不需要加热或制冷,因为它们基本上都是由机器人或其他机器操作。随着规模更小、高度自动化的本地工厂变得更加普遍,再制造和回收或许会变得更加重要,本地供应的材料也会更受重视。


06

【纳米制造】

Nano manufacturing





一 纳米等于一米的10亿分之一,所以纳米制造的意思就是能够在分子、甚至原子层面操纵材料。预计纳米材料将来会在高效太阳能电池板、电池的生产过程中发挥作 用,甚至会在基于生态系统的医学应用当中发挥作用,比如在体内安置传感器,可以告诉医生癌症已经消失。未来几代的电子设备和运算设备或许也会非常依赖于纳 米制造。


07

【柔性电子制造】

Flexible Electronics Manufacturing





比如坐在上面的时候会产生弯曲的平板电脑,与体温连线、在你需要的时候提供制冷的衣服等。这些柔性技术已经在向主流进发,预计会定义下一代的消费设备和运算设备,成为未来10年增长最快的产品门类之一。但这需要极为先进的制造工艺。


08

【生物制造】

Biomanufacturing and Bioinformatics





该领域利用生物有机体或生物有机体的一部分以人工方式生产产品,如开发药物和复方药。它可以用到很多领域,比如能效的提高、纳米制造新方法的创造等。


09

【工业机器人】

Industrial Robotics






工业机器人可以每天24小时、每周七天地运转,精度可重复且越来越高,时间上可以精确到几百分之一秒,空间上可以精确到人眼都看不到的程度。它们精确地汇报进展,在接受效率测试的时候做出改进,如果安装了先进的传感系统,还会变得更加灵巧(它们也很少发牢骚)。


随着机器人变得越来越普遍,它们的经济性也在提高:据麦肯锡全球研究院(McKinsey Global Institute)的一份报告,1990年以来与人工相比的机器人相关成本已经下降高达50%。另外,随着生物技术和纳米技术的进步,预计机器人能够做 的事情将越来越精巧,如药品加工、培植完整人体器官等。


10

【先进成形与连接技术】

Advanced Forming and 

Joining Technologies






当前大部分机器制造工艺基本上还是依靠传统技术、特别是针对金属的技术,如铸型、锻造、加工和焊接等。但专家认为,这个领域的创新时机已经成熟,可以用新的方法来连接更多种类的材料,同时提高能源和资源效率。比如冷成型技术就有可能作为一项修复技术或先进焊接技术而发挥重大作用。


11

【先进的生产和检测装备】

Advanced Manufacturing 

and Testing Equipment





本文由“135编辑器”提供技术支持

延伸阅读

美国提出这六项航空最前沿科技 

仅有几个国家才有能力掌握


洛克希德•马丁公司的官网

之前发布了“2018顶尖技术预测”,

盘点未来几年将在国防

和军工中发挥重要作用的6大顶尖技术。


这6大顶尖技术分别是:


“数字孪生 /Digital Twin、

高超声速技术/Hypersonics、

机器学习和人工智能技术/Machine Learning & Artificial Intelligence(AI)、

赛博和电子战/Cyber & Electronic Warfare、

自主化和人机交互协作/Autonomy & Human-Machine Collaboration、

定向能/Directed Energy。


虽说,预测中提及的这6大技术并非新鲜,或是早已技术发展十几年甚至几十年了,或是如“AI”这般是近年互联网科技界的热词,总之它们算不上新鲜,也是早早被认定为“未来新技术”,但这次可是国际军火巨头中NO.1 的“洛•马”来画的重点。


数字孪生

Digital Twins


“数字孪生”这个概念是2000年以来不断发展的新概念,是物联网、大数据、虚拟建模、工业互联网等技术融合下的最前沿技术。抛开洛•马官网上对“数字孪生”这个概念有些看起来“玄学”的解释,简单理解这个“数字孪生”就是“虚拟制造”和“现实生产”的配对与融合。


“虚拟”,目前各国的航空工业在飞机设计上的“无纸化”、“数字化样机”已是常态,这就是在电脑上构建了“虚拟样机”。随着技术进步,这个“虚拟样机”的功能真实度越来越高,越来越接近最后造出的“物理样机”,那么在这个“虚拟样机”就能做更多试验,尽早的更多的发现设计上的问题不足、以及改进优化完善设计。


韩国四代机设想图。


那么,技术再提高,这个“虚拟”就不只是虚拟这个“样机”、虚拟测试,还将提前“虚拟”制造、生产、工艺、维护、改进等关乎这架“飞机”全寿命周期中的各个环节。因此,当然这些“虚拟”完成后,发现的问题都解决好后,转入“现实世界”的样机制造、测试、量产、再升级等环节就会节奏效率非常之高,也就是尽可能快的将设计的产品投产装备部队(或者,投入市场)。


所以,这个“数字孪生”也不只是航空工业、国防工业的概念,近年来不论是传统老牌工业国还是中国,都在规划下一个时代的工业,不论是“工业4.0”还是“智能制造”,其中都少不了Digital Twins这个概念。


 高超声速技术

Hypersonics


高超声速,这个名词在近年来的军事新闻中反反复复提及,这多半是因为美国和中国,前者在X-51和HTV系列的高超声速试验项目之后,又近一步的实用化研制SR-72高超声速无人机,而近年来中国也进行了多次高超声速飞行器试验。


美国HTV-2高超声速验证机,外媒分析称,中国的高超声速与此类似。


毋庸置疑,高超声速武器有着强大威慑力、是改变战场规则的战略级技术!正如,隐身技术之于战斗机,将会瞬间改变战场双方的力量平衡。也显然,正如当下独立自主研制了四代机的国家只有美中俄,有能力支持同时研发两款四代机的只有美国和中国。在高超声速技术的发展上,美国和中国已经先期拿到了门票。


与此同时,面对发展“高超声速”所面临的气动外形、超高声速风洞、热防护、先进材料和制造工艺等技术高门槛,绝大多数已经没有可能与机会了。


机器学习和人工智能技术

Machine Learning & Artificial Intelligence(AI)


机器学习、人工智能(AI),无需赘言了,2017年近乎就是AI元年,这一年,国内外互联网科技公司如果不谈AI那就一点不“科技”不fashion了。机器学习和人工智能,也必将成为我们日常生活中无处不在的一部分。这两年里,“阿法狗”横扫棋坛,封神。也是在2016年,在模拟空战中人工智能程序“阿尔法”(ALPHA)“击落”了人类飞行员美国空军假想敌教官、空军上校Gene Lee。那么,以此为关联,展望未来的无人机、有人机飞行员的辅助决策中,都会越来越多了AI的身影。


“阿法狗”封神国际象棋界,同年“阿尔法”在模拟空战中击落了人类飞行员


“阿法狗”封神国际象棋界,同年“阿尔法”在模拟空战中击落了人类飞行员


赛博和电子战

Cyber & Electronic Warfare


与上文中的AI不同,赛博和电子战有着更鲜明的军事属性,对敌方电子系统进行破坏、拒止、欺骗、摧毁等,早已成为了现代战争中的“常态”。如各空军强国的装备体系中,早就多了在战斗机基础上改装的“电子战机”。


电影《空天猎》宣传中的中国空军歼-10C,翼下挂载着反辐射导弹。对敌方电子设备的“硬杀伤”属于电子战机的“基本款”。当然,中国空军已有着了专用型号电子战机的装备。


而在洛•马公司的的描绘中,赛博和电子战技术的发展将是“开放式架构”,便于快速融入新技术,并在不断变化的威胁面前保持领先优势。


自主化和人机交互协作

Autonomy & Human-Machine Collaboration


洛•马公司所关注的“人机交互协作”,也如今日我们与手中智能手机的关系,手机越来越智能了,我们操作起来也就简单了。


洛·马F-35的座舱,大块触摸屏是人机新交互方式的技术前提之一,这种大块触摸屏显,中国在珠海航展上曾有展出。


洛·马F-35的座舱,大块触摸屏是人机新交互方式的技术前提之一。


这种大块触摸屏显,中国在珠海航展上曾有展出。


洛•马旗下的西科斯基公司,正在探索直升机的“自主化”,提高人机协同能力,提高在诸如运输、消防、搜索、救援等高风险任务场景中的飞行安全性。以及,随着飞机座舱显控系统的“大屏化”、“触屏化”,新的人机交互方式出现了,飞行员和操作员可以使用触摸屏/PAD、手势操作等来操控飞机。


定向能技术

Directed Energy


定向能技术的典型代表,当属“激光武器”,这是自冷战时期即兴起的“新概念武器”。定向能武器的优势是,无限量“弹药”、指向性强精度高、“零”飞行时间、发现即摧毁、杀伤效率高、附带毁伤小、射速快可快速打击多个目标,既可用于进攻,也可用于防御。


激光武器已经从过去的战略反导进一步应用下潜,成为可机动灵活的战术武器。目前,中国和美国都展示过实用化的反无人机激光器。


激光武器的实用化、军事化应用是颇早,冷战时期是作为反卫星、反导的战略级武器。但如今,随着激光武器的发展进步,激光器可以做到尺寸和重量上的小型化,由此激光武器从过去的战略级固定部署变成可机动化的战术武器。随着激光武器开始走向战场,增强激光武器的功率,提高激光的毁伤能力和射程,提高“娇贵”的激光武器可维护性,将是方向。


洛·马公司“圈定”的这6大顶尖技术,其实早就是这些国际最顶尖厂商“圈定”的新技术领地了。正如上文所言的“高超声速技术”,这些新技术领域,不只是过去的技术弱国完全没有追赶的机会,甚至连传统的“五强”也已有掉队。那么,未来这些技术领域的局面就是,只有极少数极少数国家所掌握,这种技术“垄断”可比昔日的“核武器”更甚。



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