國防高端制造裝備是以高新技術(shù)為引領(lǐng),決定國防裝備制造業(yè)整體競爭力的高附加值裝備。國防高端制造裝備最能體現(xiàn)一個國家裝備制造業(yè)的技術(shù)水平,也是武器裝備研制能力的重要基礎(chǔ)。自奧巴馬政府提出“重振制造業(yè)”以來,美國立足國家大工業(yè)基礎(chǔ),充分運(yùn)用協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制,推出一系列頂尖水平的國防高端制造裝備,包括極端制造裝備、智能制造裝備、增減材復(fù)合制造裝備、太空制造裝備等,這對實(shí)現(xiàn)武器裝備大型化、高效化、智能化研制生產(chǎn)具有重要意義。
一、發(fā)展背景
1.制造業(yè)重新成為全球經(jīng)濟(jì)競爭的焦點(diǎn),國防高端制造裝備迎來快速發(fā)展機(jī)遇期
經(jīng)濟(jì)危機(jī)后,實(shí)體經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略意義再次凸顯,美國等世界主要發(fā)達(dá)國家紛紛實(shí)施以重振制造業(yè)為核心的“再工業(yè)化”戰(zhàn)略,瞄準(zhǔn)高端制造領(lǐng)域,謀求打造新的競爭優(yōu)勢。國防高端制造裝備作為武器裝備研制生產(chǎn)的基礎(chǔ)和支柱,以及國防工業(yè)不可或缺的戰(zhàn)略資源,已成為發(fā)達(dá)國家國防制造業(yè)爭奪技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵點(diǎn),其水平和擁有量是衡量國防工業(yè)綜合競爭力的重要指標(biāo)。
2.在新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合促動下,國防高端制造裝備向智能化方向發(fā)展
美歐等國加大智能制造相關(guān)創(chuàng)新力度,推動3D打印、移動互聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)取得新突破,并致力于發(fā)展基于賽博實(shí)物系統(tǒng)(CPS)的智能制造裝備,積極布局“智能工廠”,推進(jìn)“智能生產(chǎn)”,引領(lǐng)制造模式的智能化轉(zhuǎn)型。為在新一輪工業(yè)革命中占據(jù)先機(jī),美國于2013年發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略》,其核心是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器、高級分析和人的有機(jī)融合,推動智能制造成為美國制造業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)和未來方向。
3.美國政府頂層謀劃、大力扶持國防制造技術(shù)與裝備發(fā)展
2011年,美政府發(fā)布《確保美國先進(jìn)制造的領(lǐng)先地位》,提出重點(diǎn)發(fā)展新一代機(jī)器人、創(chuàng)新型節(jié)能制造工藝等;2012~2014年,相繼出臺《制造業(yè)促進(jìn)法案》、《先進(jìn)制造伙伴計劃》、國防部《制造技術(shù)(ManTech)戰(zhàn)略規(guī)劃》、《振興美國制造與創(chuàng)新法案》等,重點(diǎn)支持模塊化、智能化、增材制造、綠色可持續(xù)制造等國防高端制造裝備發(fā)展。2012年,美政府啟動“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃,擬投資10億美元,并吸引高于10億美元的社會資金,組建超過15家制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu),截至2016年4月已成立8家,其中6家由國防部負(fù)責(zé),對促進(jìn)國防高端制造技術(shù)與裝備創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。
二、發(fā)展態(tài)勢
美國防高端制造裝備日益呈現(xiàn)出極端化、智能化、復(fù)合化、模塊化、綠色化發(fā)展態(tài)勢,制造工藝已逐步從“以減材制造為主”向“增減材制造并舉”的方向發(fā)展,制造環(huán)境已從“在地球制造”向“太空制造”拓展。
1.極端化
為滿足新一代重型和超大型武器裝備發(fā)展需求,美國高度重視極端制造裝備發(fā)展,建造了代表世界最高水平的巨型攪拌摩擦焊裝備、機(jī)器人制造裝備、鍛造裝備等。
為支撐“航天發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)重型運(yùn)載火箭的建造,2014年NASA和波音公司以及伊薩公司等聯(lián)合建造出全球最大的攪拌摩擦焊裝備“垂直集成中心”。該裝備高51.8米、寬23.8米,集成了焊縫質(zhì)量無損檢測功能,可支撐SLS第一級(直徑8.46米、高約61米)箭體結(jié)構(gòu)焊接集成,是極端制造和綠色制造的典型;2016年,NASA將使用“垂直集成中心”完成SLS第一級的焊接集成,為2018年SLS的首飛奠定基礎(chǔ)。
2015年,NASA研制出世界最大的機(jī)器人復(fù)合材料纖維鋪放系統(tǒng),其臂長6.4米,安裝在長12.2米的軌道上,機(jī)械臂頭部一次可裝入16束碳纖維,能在多個方向上精確運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)精細(xì)鋪絲,將為SLS建造直徑超過8米的全球最大的復(fù)合材料液氫貯箱。
此外,美國還投資1億美元發(fā)展了5萬噸級的巨型模鍛裝備,鍛造出世界上最大的整鍛鋁合金戰(zhàn)車車底;建成了世界上最大的線性摩擦焊機(jī),焊接表面積達(dá)10000平方毫米,打破了焊接鍛造負(fù)載100噸的紀(jì)錄。
2.智能化
利用現(xiàn)代傳感、網(wǎng)絡(luò)、自動控制、人工智能等技術(shù),實(shí)現(xiàn)制造裝備的智能化,已成為21世紀(jì)美國制造業(yè)的重要發(fā)展方向和新工業(yè)革命的主要標(biāo)志。
制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)、DARPA、NASA等機(jī)構(gòu)成為美國國防智能制造裝備創(chuàng)新發(fā)展的源泉
為在智能制造裝備和技術(shù)發(fā)展方面引領(lǐng)創(chuàng)新,加速國防工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型,美國計劃構(gòu)建智能制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu),并通過國防部牽頭組建的“美國造”制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)、數(shù)字化制造與設(shè)計創(chuàng)新機(jī)構(gòu),大力推進(jìn)智能機(jī)器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、可穿戴計算、賽博實(shí)物系統(tǒng)、先進(jìn)增材制造裝備等智能制造裝備相關(guān)項(xiàng)目的研發(fā)。2016年,美國防部提出制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)將重點(diǎn)關(guān)注先進(jìn)機(jī)床和控制系統(tǒng)、輔助和柔性機(jī)器人等領(lǐng)域。早在2010年,DARPA就啟動了自適應(yīng)車輛制造項(xiàng)目,旨在預(yù)先研究智能制造裝備和技術(shù),以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜系統(tǒng)研制生產(chǎn)智能化,其成果將與制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)成果結(jié)合,轉(zhuǎn)化應(yīng)用到武器裝備研制中。此外,NASA在2015年《航天技術(shù)路線圖(草案)》中也提出發(fā)展智能一體化制造、賽博實(shí)物系統(tǒng),推進(jìn)可持續(xù)制造。
機(jī)器人制造裝備、智能機(jī)器、增材制造裝備等已成為美國國防高端智能制造裝備發(fā)展的潮流
美國在機(jī)器人增材制造裝備、復(fù)合材料制造裝備以及自動化裝配裝備等方面已取得重大突破。2015年11月,美國Arevo實(shí)驗(yàn)室宣布建成世界上首臺機(jī)器人增材制造裝備。該裝備集成了德國ABB機(jī)器人公司的商用6軸機(jī)器人系統(tǒng)、熔融沉積成形3D打印技術(shù)、末端執(zhí)行器硬件以及綜合軟件套件等,可實(shí)現(xiàn)航空航天高性能碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零部件的高效自動化制造,建造范圍在1000立方毫米~8立方米之間;NASA于2015年建成的世界最大的機(jī)器人復(fù)合材料纖維鋪放系統(tǒng)既是極端制造裝備的典型,也是機(jī)器人制造裝備的典型;2014年,波音公司“機(jī)身自動站立裝配”裝備通過技術(shù)驗(yàn)證,已用于“波音”777飛機(jī)裝配。此外,波音公司將先進(jìn)態(tài)勢感知、賽博實(shí)物系統(tǒng)等技術(shù)引入飛機(jī)裝配生產(chǎn)線中,構(gòu)建智能裝配生產(chǎn)線,并應(yīng)用于“波音”737和“波音”787飛機(jī)研制生產(chǎn)中;美海軍金屬加工中心開展了多型水面艦艇加強(qiáng)筋制造自動化工裝裝備研究,可大量節(jié)省艦艇加強(qiáng)筋的建造成本。
3.復(fù)合化
工藝復(fù)合化、功能復(fù)合化已成為高端制造裝備提高效率、節(jié)約成本的重要發(fā)展方向。美國通過工序復(fù)合、工藝復(fù)合、模塊化設(shè)計等方式,建成增減材制造裝備、“攪拌摩擦焊裝備庫”等復(fù)合化國防高端制造裝備。2015年5月,“美國造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)宣布,基于模塊化設(shè)計方案,首創(chuàng)建成兼具數(shù)控加工能力和激光工程化凈成形金屬增材制造能力的增減材復(fù)合制造裝備,預(yù)示著制造企業(yè)和生產(chǎn)車間能以較低成本、較高效率對現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床進(jìn)行升級改造,使同一機(jī)器同時具備增材制造和減材制造雙重工藝能力,進(jìn)而大幅提升生產(chǎn)能力和成本效益。2016年,NASA將基于“攪拌摩擦焊裝備庫”建成SLS第一級,其中有5套裝備用于焊接制造貯箱的筒型結(jié)構(gòu)、圓形封頭、連接環(huán)箍結(jié)構(gòu)等分系統(tǒng)及其部件,“垂直集成中心”則完成各種大型部件的裝配集成。未來,機(jī)器人與常規(guī)制造裝備的復(fù)合化、基于賽博實(shí)物系統(tǒng)的智能機(jī)器互聯(lián)將是復(fù)合化發(fā)展的新潮流。
4.太空制造
為滿足未來在太空按需制造零部件,并進(jìn)行自動化集成裝配的需求,NASA、DARPA等政府機(jī)構(gòu)聯(lián)合太空制造公司、勞拉空間系統(tǒng)公司、諾格公司、奇點(diǎn)大學(xué)等工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的力量,致力于發(fā)展太空3D打印制造裝備和太空機(jī)器人一體化的制造裝備。目前,太空制造裝備發(fā)展已在一些領(lǐng)域取得突破。
太空3D打印制造裝備研制取得階段性成果
2011年,NASA授權(quán)太空制造公司開展零重力3D打印機(jī)研究。2014年,該公司研制的首臺試驗(yàn)型零重力3D打印機(jī)被送往國際空間站;2015年2月,完成了首輪太空3D打印試驗(yàn);2016年3月底,第二臺太空3D打印機(jī)被送往國際空間站,并于6月打印出首個工具扳手,成為人類歷史上首臺商用太空制造裝備。
太空機(jī)器人集成制造裝備研發(fā)加速推進(jìn)
2015年8月,DARPA授權(quán)勞拉間空系統(tǒng)公司研究在太空制造通信衛(wèi)星的機(jī)器人裝備(“蜻蜓”項(xiàng)目);2015年12月,勞拉間空系統(tǒng)公司宣布已與NASA簽署合同,將在DARPA“蜻蜓”項(xiàng)目基礎(chǔ)上,發(fā)展利用機(jī)器人在太空制造、裝配航天器和太空結(jié)構(gòu)的技術(shù)(“臨界點(diǎn)”項(xiàng)目)。兩個項(xiàng)目都致力于發(fā)展太空機(jī)器人集成制造裝備。
太空機(jī)器人集成制造裝備和3D打印機(jī)制造裝備的一體化系統(tǒng)成為發(fā)展重點(diǎn)
2016年,NASA已投資2000萬美元,授權(quán)太空制造公司、諾格公司以及海洋工程太空系統(tǒng)公司等,實(shí)施“多功能太空機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)”(Archinaut)項(xiàng)目,旨在研發(fā)裝有多個機(jī)械臂的3D打印機(jī),并將其安裝在國際空間站上,未來可利用Archinaut的機(jī)械臂,在軌拆卸廢棄航天器上的可用零部件或在軌打印零部件,并組裝新航天器。太空制造公司負(fù)責(zé)制造Archinaut的3D打印機(jī),海洋工程太空系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)制造打印機(jī)上的機(jī)械臂,諾格公司負(fù)責(zé)為系統(tǒng)工程、電子控制、軟件和測試等提供支撐。此外,太空制造公司2016年2月稱,5年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)在軌制造和裝配通信衛(wèi)星反射器或其他大型結(jié)構(gòu)。
三、發(fā)展模式
美國通過國家層面的統(tǒng)籌建設(shè)和發(fā)展,以及政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的協(xié)同創(chuàng)新模式,大力推進(jìn)國防高端制造發(fā)展,支撐世界一流武器裝備研制,加速國防制造業(yè)變革,提升制造業(yè)國際競爭力。
1.以武器裝備需求為牽引,從國家層面統(tǒng)籌建設(shè)和發(fā)展
美國將國防高端制造裝備,特別是重大制造設(shè)施,視為國防建設(shè)的核心戰(zhàn)略資源,并以武器裝備發(fā)展需求為牽引,從國家層面對其進(jìn)行統(tǒng)籌建設(shè)和發(fā)展。通過加強(qiáng)管理,加大政府投入,充分發(fā)揮制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)、DARPA、NASA等機(jī)構(gòu)的主導(dǎo)作用,推動重大國防高端制造裝備與武器裝備研制的穩(wěn)步協(xié)調(diào)發(fā)展,保障武器裝備始終處于世界領(lǐng)先水平。
2.采取政產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的協(xié)同發(fā)展模式
美國立足國家大工業(yè)基礎(chǔ),集中優(yōu)勢力量,采取政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)模式,進(jìn)行重大國防高端制造裝備的研發(fā)建造。例如,“增減材混合制造裝備建造”項(xiàng)目由“美國造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)資助,美國Optomec公司牽頭,聯(lián)合MachMotion公司、TechSolve公司、洛馬公司以及美陸軍貝尼特實(shí)驗(yàn)室等共同完成。2016年2月,美國發(fā)布的首個《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃戰(zhàn)略規(guī)劃》指出,要發(fā)揮政產(chǎn)學(xué)研用的力量,推動先進(jìn)制造技術(shù)與裝備發(fā)展,加速整個國家的制造業(yè)創(chuàng)新。
3.充分發(fā)揮小企業(yè)的創(chuàng)新優(yōu)勢
美國政府通過“小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃”,鼓勵和幫助具備創(chuàng)新能力的小企業(yè)將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,為開展創(chuàng)新提供了良好條件和機(jī)制。例如,根據(jù)計劃,NASA每年通過項(xiàng)目招標(biāo)、項(xiàng)目評估等確定創(chuàng)新項(xiàng)目。這些創(chuàng)新項(xiàng)目的政府投入一般不超過100萬美元,卻能激發(fā)小企業(yè)的潛力。太空3D打印制造裝備就是由NASA聯(lián)合小企業(yè)共同完成的,充分發(fā)揮了太空制造公司、3D系統(tǒng)公司、層系統(tǒng)公司等小企業(yè)的創(chuàng)新優(yōu)勢。
4.注重經(jīng)濟(jì)可承受、可持續(xù)的發(fā)展方式
國防高端制造裝備發(fā)展過程中,在滿足需求、保證性能的同時,美國始終注重裝備制造的經(jīng)濟(jì)可承受、綠色環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展。例如,在發(fā)展世界頂級攪拌摩擦焊裝備時,NASA和波音公司注重應(yīng)用模塊化設(shè)計模式,為制造裝備的升級改造奠定了良好基礎(chǔ);盡量使用和改造現(xiàn)有設(shè)備和工藝,以節(jié)約成本;注重可擴(kuò)展性和可持續(xù)性,以滿足三種SLS構(gòu)型第一級結(jié)構(gòu)的需要;還采用了安全可靠、綠色環(huán)保的制造工藝。
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