详解美国高端装备制造业发展现状

　　国防高端制造装备是以高新技术为引领，决定国防装备制造业整体竞争力的高附加值装备。国防高端制造装备最能体现一个国家装备制造业的技术水平，也是武器装备研制能力的重要基础。自奥巴马政府提出“重振制造业”以来，美国立足国家大工业基础，充分运用协同创新机制，推出一系列顶尖水平的国防高端制造装备，包括极端制造装备、智能制造装备、增减材复合制造装备、太空制造装备等，这对实现武器装备大型化、高效化、智能化研制生产具有重要意义。
　　
　　一、发展背景
　　
　　1.制造业重新成为全球经济竞争的焦点，国防高端制造装备迎来快速发展机遇期
　　
　　经济危机后，实体经济的战略意义再次凸显，美国等世界主要发达国家纷纷实施以重振制造业为核心的“再工业化”战略，瞄准高端制造领域，谋求打造新的竞争优势。国防高端制造装备作为武器装备研制生产的基础和支柱，以及国防工业不可或缺的战略资源，已成为发达国家国防制造业争夺技术优势的关键点，其水平和拥有量是衡量国防工业综合竞争力的重要指标。
　　
　　2.在新一代信息技术与制造业的融合促动下，国防高端制造装备向智能化方向发展
　　
　　美欧等国加大智能制造相关创新力度，推动3D打印、移动互联、云计算、大数据等新兴技术取得新突破，并致力于发展基于赛博实物系统（CPS）的智能制造装备，积极布局“智能工厂”，推进“智能生产”，引领制造模式的智能化转型。为在新一轮工业革命中占据先机，美国于2013年发布《工业互联网战略》，其核心是实现智能机器、高级分析和人的有机融合，推动智能制造成为美国制造业的发展重点和未来方向。
　　
　　3.美国政府顶层谋划、大力扶持国防制造技术与装备发展
　　
　　2011年，美政府发布《确保美国先进制造的领先地位》，提出重点发展新一代机器人、创新型节能制造工艺等；2012～2014年，相继出台《制造业促进法案》、《先进制造伙伴计划》、国防部《制造技术（ManTech）战略规划》、《振兴美国制造与创新法案》等，重点支持模块化、智能化、增材制造、绿色可持续制造等国防高端制造装备发展。2012年，美政府启动“国家制造创新网络”计划，拟投资10亿美元，并吸引高于10亿美元的社会资金，组建超过15家制造创新机构，截至2016年4月已成立8家，其中6家由国防部负责，对促进国防高端制造技术与装备创新发展具有重要意义。
　　
　　二、发展态势
　　
　　美国防高端制造装备日益呈现出极端化、智能化、复合化、模块化、绿色化发展态势，制造工艺已逐步从“以减材制造为主”向“增减材制造并举”的方向发展，制造环境已从“在地球制造”向“太空制造”拓展。
　　
　　1.极端化
　　
　　为满足新一代重型和超大型武器装备发展需求，美国高度重视极端制造装备发展，建造了代表世界最高水平的巨型搅拌摩擦焊装备、机器人制造装备、锻造装备等。
　　
　　为支撑“航天发射系统”（SLS）重型运载火箭的建造，2014年NASA和波音公司以及伊萨公司等联合建造出全球最大的搅拌摩擦焊装备“垂直集成中心”。该装备高51.8米、宽23.8米，集成了焊缝质量无损检测功能，可支撑SLS第一级（直径8.46米、高约61米）箭体结构焊接集成，是极端制造和绿色制造的典型；2016年，NASA将使用“垂直集成中心”完成SLS第一级的焊接集成，为2018年SLS的首飞奠定基础。          

2015年，NASA研制出世界最大的机器人复合材料纤维铺放系统，其臂长6.4米，安装在长12.2米的轨道上，机械臂头部一次可装入16束碳纤维，能在多个方向上精确运动以实现精细铺丝，将为SLS建造直径超过8米的全球最大的复合材料液氢贮箱。
　　
　　此外，美国还投资1亿美元发展了5万吨级的巨型模锻装备，锻造出世界上最大的整锻铝合金战车车底；建成了世界上最大的线性摩擦焊机，焊接表面积达10000平方毫米，打破了焊接锻造负载100吨的纪录。
　　
　　2.智能化
　　
　　利用现代传感、网络、自动控制、人工智能等技术，实现制造装备的智能化，已成为21世纪美国制造业的重要发展方向和新工业革命的主要标志。
　　
　　制造创新机构、DARPA、NASA等机构成为美国国防智能制造装备创新发展的源泉
　　
　　为在智能制造装备和技术发展方面引领创新，加速国防工业智能化转型，美国计划构建智能制造创新机构，并通过国防部牵头组建的“美国造”制造创新机构、数字化制造与设计创新机构，大力推进智能机器、增强现实、可穿戴计算、赛博实物系统、先进增材制造装备等智能制造装备相关项目的研发。2016年，美国防部提出制造创新机构将重点关注先进机床和控制系统、辅助和柔性机器人等领域。早在2010年，DARPA就启动了自适应车辆制造项目，旨在预先研究智能制造装备和技术，以实现大型复杂系统研制生产智能化，其成果将与制造创新机构成果结合，转化应用到武器装备研制中。此外，NASA在2015年《航天技术路线图（草案）》中也提出发展智能一体化制造、赛博实物系统，推进可持续制造。
　　

　　机器人制造装备、智能机器、增材制造装备等已成为美国国防高端智能制造装备发展的潮流
　　
　　美国在机器人增材制造装备、复合材料制造装备以及自动化装配装备等方面已取得重大突破。2015年11月，美国Arevo实验室宣布建成世界上首台机器人增材制造装备。该装备集成了德国ABB机器人公司的商用6轴机器人系统、熔融沉积成形3D打印技术、末端执行器硬件以及综合软件套件等，可实现航空航天高性能碳纤维增强热塑性复合材料零部件的高效自动化制造，建造范围在1000立方毫米～8立方米之间；NASA于2015年建成的世界最大的机器人复合材料纤维铺放系统既是极端制造装备的典型，也是机器人制造装备的典型；2014年，波音公司“机身自动站立装配”装备通过技术验证，已用于“波音”777飞机装配。此外，波音公司将先进态势感知、赛博实物系统等技术引入飞机装配生产线中，构建智能装配生产线，并应用于“波音”737和“波音”787飞机研制生产中；美海军金属加工中心开展了多型水面舰艇加强筋制造自动化工装装备研究，可大量节省舰艇加强筋的建造成本。
　　
　　3.复合化
　　
　　工艺复合化、功能复合化已成为高端制造装备提高效率、节约成本的重要发展方向。美国通过工序复合、工艺复合、模块化设计等方式，建成增减材制造装备、“搅拌摩擦焊装备库”等复合化国防高端制造装备。2015年5月，“美国造”创新机构宣布，基于模块化设计方案，首创建成兼具数控加工能力和激光工程化净成形金属增材制造能力的增减材复合制造装备，预示着制造企业和生产车间能以较低成本、较高效率对现有数控机床进行升级改造，使同一机器同时具备增材制造和减材制造双重工艺能力，进而大幅提升生产能力和成本效益。2016年，NASA将基于“搅拌摩擦焊装备库”建成SLS第一级，其中有5套装备用于焊接制造贮箱的筒型结构、圆形封头、连接环箍结构等分系统及其部件，“垂直集成中心”则完成各种大型部件的装配集成。未来，机器人与常规制造装备的复合化、基于赛博实物系统的智能机器互联将是复合化发展的新潮流。 

4.太空制造
　　
　　为满足未来在太空按需制造零部件，并进行自动化集成装配的需求，NASA、DARPA等政府机构联合太空制造公司、劳拉空间系统公司、诺格公司、奇点大学等工业界和学术界的力量，致力于发展太空3D打印制造装备和太空机器人一体化的制造装备。目前，太空制造装备发展已在一些领域取得突破。
　　
　　太空3D打印制造装备研制取得阶段性成果
　　
　　2011年，NASA授权太空制造公司开展零重力3D打印机研究。2014年，该公司研制的首台试验型零重力3D打印机被送往国际空间站；2015年2月，完成了首轮太空3D打印试验；2016年3月底，第二台太空3D打印机被送往国际空间站，并于6月打印出首个工具扳手，成为人类历史上首台商用太空制造装备。
　　
　　太空机器人集成制造装备研发加速推进
　　
　　2015年8月，DARPA授权劳拉间空系统公司研究在太空制造通信卫星的机器人装备（“蜻蜓”项目）；2015年12月，劳拉间空系统公司宣布已与NASA签署合同，将在DARPA“蜻蜓”项目基础上，发展利用机器人在太空制造、装配航天器和太空结构的技术（“临界点”项目）。两个项目都致力于发展太空机器人集成制造装备。
　　
　　太空机器人集成制造装备和3D打印机制造装备的一体化系统成为发展重点
　　
　　2016年，NASA已投资2000万美元，授权太空制造公司、诺格公司以及海洋工程太空系统公司等，实施“多功能太空机器人精密制造与装配系统”（Archinaut）项目，旨在研发装有多个机械臂的3D打印机，并将其安装在国际空间站上，未来可利用Archinaut的机械臂，在轨拆卸废弃航天器上的可用零部件或在轨打印零部件，并组装新航天器。太空制造公司负责制造Archinaut的3D打印机，海洋工程太空系统公司负责制造打印机上的机械臂，诺格公司负责为系统工程、电子控制、软件和测试等提供支撑。此外，太空制造公司2016年2月称，5年内有望实现在轨制造和装配通信卫星反射器或其他大型结构。
　　
　　三、发展模式
　　
　　美国通过国家层面的统筹建设和发展，以及政府、工业界、学术界的协同创新模式，大力推进国防高端制造发展，支撑世界一流武器装备研制，加速国防制造业变革，提升制造业国际竞争力。
　　
　　1.以武器装备需求为牵引，从国家层面统筹建设和发展
　　
　　美国将国防高端制造装备，特别是重大制造设施，视为国防建设的核心战略资源，并以武器装备发展需求为牵引，从国家层面对其进行统筹建设和发展。通过加强管理，加大政府投入，充分发挥制造创新机构、DARPA、NASA等机构的主导作用，推动重大国防高端制造装备与武器装备研制的稳步协调发展，保障武器装备始终处于世界领先水平。
　　
　　2.采取政产学研用结合的协同发展模式
　　
　　美国立足国家大工业基础，集中优势力量，采取政产学研用联合攻关模式，进行重大国防高端制造装备的研发建造。例如，“增减材混合制造装备建造”项目由“美国造”创新机构资助，美国Optomec公司牵头，联合MachMotion公司、TechSolve公司、洛马公司以及美陆军贝尼特实验室等共同完成。2016年2月，美国发布的首个《国家制造创新网络计划战略规划》指出，要发挥政产学研用的力量，推动先进制造技术与装备发展，加速整个国家的制造业创新。
　　
　　3.充分发挥小企业的创新优势
　　
　　美国政府通过“小企业创新研究计划”，鼓励和帮助具备创新能力的小企业将实验室研究成果转化为产品，为开展创新提供了良好条件和机制。例如，根据计划，NASA每年通过项目招标、项目评估等确定创新项目。这些创新项目的政府投入一般不超过100万美元，却能激发小企业的潜力。太空3D打印制造装备就是由NASA联合小企业共同完成的，充分发挥了太空制造公司、3D系统公司、层系统公司等小企业的创新优势。
　　
　　4.注重经济可承受、可持续的发展方式
　　
　　国防高端制造装备发展过程中，在满足需求、保证性能的同时，美国始终注重装备制造的经济可承受、绿色环保、可持续的发展。例如，在发展世界顶级搅拌摩擦焊装备时，NASA和波音公司注重应用模块化设计模式，为制造装备的升级改造奠定了良好基础；尽量使用和改造现有设备和工艺，以节约成本；注重可扩展性和可持续性，以满足三种SLS构型第一级结构的需要；还采用了安全可靠、绿色环保的制造工艺。 

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