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本文是中國工程院院士、清華大學(xué)機械工程系柳百成教授，在JIC投資論壇“全球高端制造業(yè)發(fā)展和機遇”上的主題演講實錄，講述制造業(yè)的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)和先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。
報告題目是中國制造業(yè)現(xiàn)狀及國際先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢，主要從學(xué)科的發(fā)展角度跟大家做一個介紹。報告分四個方面，第一是制造業(yè)的現(xiàn)狀；第二是制造業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)；第三重點講一下國際先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢；第四是結(jié)束語。
一、制造業(yè)的現(xiàn)狀
大家知道，制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)是國民經(jīng)濟和國防建設(shè)、建設(shè)創(chuàng)新型國家的支柱型產(chǎn)業(yè)，具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。我國制造業(yè)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(jīng)是制造大國了，我國制造業(yè)已經(jīng)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(xiàn)為創(chuàng)新能力不強。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國的研發(fā)投入占GDP的2.08%，這在原來的基礎(chǔ)上已經(jīng)是有了突飛猛進的發(fā)展。但是，和工業(yè)發(fā)達國家相比，仍然較低，美國在2.9%的基礎(chǔ)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(yè)研發(fā)投資來講，我國企業(yè)研發(fā)投入平均在1.2 %，國際上的規(guī)則，不大于3%的企業(yè)是不可持續(xù)發(fā)展的。美國、德國、日本分別是4.9%、2.9%、3.8%。我國整個的研發(fā)投入很高，可是人均研發(fā)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(shù)控系統(tǒng)70%是進口的。2012年的統(tǒng)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(yè)，發(fā)展高端制造業(yè)。
二、制造業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)
第二個問題，我國缺少核心關(guān)鍵技術(shù)。基礎(chǔ)設(shè)計和制造技術(shù)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(fā)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(yè)又面臨了新的挑戰(zhàn)。工業(yè)發(fā)達國家要重新發(fā)展制造業(yè)，金融危機以后西方國家痛定思痛，發(fā)展以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為主要特征的新一輪的科技與產(chǎn)業(yè)革命，既是挑戰(zhàn)也是機遇。比如說數(shù)字化、智能化的制造技術(shù)已經(jīng)成為國際制造業(yè)發(fā)展的趨勢，包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)，最近美國號稱大數(shù)據(jù)有很大的優(yōu)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(yè)軟件80%是美國開發(fā)的。我們的造船工業(yè)、航空工業(yè)，有不少軟件都是美國開發(fā)的，同時新能源、新材料新的發(fā)展也推動了產(chǎn)業(yè)革命。
先看下美國的例子，美國的PCAST是美國總統(tǒng)科技顧問委員會，美國2012年提出來要重振制造業(yè)在全球的領(lǐng)先地位，而且繪制了路線圖。2012年3月，美國宣布成立制造創(chuàng)新網(wǎng)。這是國家的研究中心，其中第一期就是3D打印、數(shù)字化制造和設(shè)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(yè)科學(xué)院提出了工業(yè)4.0，它特別強調(diào)把物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)應(yīng)用到制造領(lǐng)域，能自我預(yù)測、自我維護和自我組織學(xué)習(xí)。美國、英國也不甘落后，比如說航空發(fā)動機企業(yè)融合于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能一體化。航空發(fā)動機公司已經(jīng)從過去賣發(fā)動機到提供服務(wù)，從制造業(yè)發(fā)展成了現(xiàn)代制造服務(wù)行業(yè)。
三、國際先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢
第三，制造業(yè)存在三大問題。工業(yè)發(fā)達國家要重振制造業(yè)，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(yè)的發(fā)展趨勢，可以歸納為四個方面：
趨勢一，制造技術(shù)與高技術(shù)的集成。我仍然舉航空發(fā)動機的例子，我們發(fā)動機需要研發(fā)耐高溫技術(shù)，需要在葉片上有冷卻，表面要經(jīng)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(xiàn)在比較普遍的數(shù)字化、智能化的制造技術(shù)。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(shè)計。最近發(fā)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(fā)展到787，研發(fā)速度好，設(shè)計速度好，所以設(shè)計、制造、研發(fā)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。現(xiàn)在到了數(shù)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(guān)于數(shù)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(fā)周期從飛機的起落架材料一直到起落架產(chǎn)業(yè)化要12年，時間太長了。美國的口號是，發(fā)展先進制造技術(shù)要比原來的研發(fā)周期縮短一半，比原來的研發(fā)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(yōu)化，用50到100萬CPU時間模擬和優(yōu)化了航空發(fā)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(yù)測到工藝是優(yōu)化的。美國最近提出了材料基因技術(shù)，前提就是發(fā)展一個集成計算材料工程。它的目標是降低研發(fā)費用，縮短研發(fā)周期，比如說航空發(fā)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(xué)和航空材料研究院一起研發(fā)，對于真正的航空發(fā)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(guān)于生產(chǎn)制造。這方面美國最近有很大的進展，美國通用電氣已經(jīng)批量生產(chǎn)發(fā)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(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)在鈦合金制造方面做得很好，包括在飛機上的再利用，已經(jīng)做到了5米高、3.5米寬的鈦合金組件。數(shù)字化和智能化成為了一個制造單元，習(xí)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(guān)鍵的元器件沒有掌握。對汽車發(fā)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(yīng)該是數(shù)字化的裝備，加上數(shù)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(shù)。我們國家已經(jīng)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(zhì)量和國外仍有相當?shù)牟罹唷Ｒ虼耍覀兒椭袊恢亻_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(xù)發(fā)展制造技術(shù)就是簡單化、再回收，因此綠色制造和可持續(xù)發(fā)展制造，不僅僅是制造、回收、再制造，而應(yīng)該從源頭抓起，從簡單化開始抓起。宏觀來講，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品率、提高生產(chǎn)率、減少研發(fā)投入，是綠色可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。第一，要發(fā)展輕量化制造技術(shù)，新能源汽車是方向。但我們還要關(guān)注到節(jié)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(chǎn)量是2000萬輛，今年預(yù)計電動車到5萬輛。國外的汽車已經(jīng)從黑色合金向鋁合金和鈦合金發(fā)展。美國通用汽車公司大概2012年前公布的數(shù)據(jù)，每一輛汽車已經(jīng)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(jié)束語
最后講結(jié)論。第一，制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要工業(yè)。我國已經(jīng)是制造大國，但遠不是制造強國。制造業(yè)面臨著創(chuàng)新能力薄弱，核心和關(guān)鍵共性技術(shù)缺乏，資源浪費，污染嚴重，要發(fā)展高技術(shù)含量制造技術(shù)、數(shù)字化智能化制造技術(shù)、超大型化微納化技術(shù)。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(chǎn)業(yè)規(guī)模；第二，要有強大的創(chuàng)新能力；第三，要有優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；第四，要有良好的質(zhì)量效益；第五，要有持續(xù)的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
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