王轶㼆作者 SIMIT战略研究室 来源

美国发布《美国先进制造领先战略》

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2018年10月5日,美国国家科学与技术委员会发布《美国先进制造领先战略》(Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing,以下简称《战略》),作为对《先进制造国家战略计划》的更新,提出通过三大战略方向的发展确保美国在全工业领域先进制造的领先地位,以维护国家安全和经济繁荣的愿景。《战略》包括美国制造竞争力分析、战略愿景、战略方向、具体战略目标、优先领域、任务分工等内容,为未来四年的发展纲领,将为美国联邦计划和活动提供长期指导,以支持包括先进制造研发在内的美国制造业竞争力的提升。

图表 1 《美国先进制造领先战略》战略愿景

一、美国制造竞争力分析

《战略》分析认为:制造业的领先为20世纪美国主导全球经济发挥了重要作用;然而,21世纪美国制造业发生了巨大变化——制造业的就业数于20世纪90年代开始减少,2008年经济衰退期间进一步下降,仅2006年至2010年制造业从业人数就由1420万减少至1130万,降幅达20%。自特朗普总统就职以来,政府采取强有力的行动增加制造业就业,已创造了近35万个岗位。尽管制造业就业人数仍远低于2006年的水平,但这些工作岗位仍然占全部劳动力的8.5%。制造业是经济中薪酬最高的部门之一,对其它行业的就业机会具有广泛影响;并且一项研究发现,先进制造技术的就业倍增效应显著,每个技术密集型制造岗位至少支持其它四个就业岗位。 

《战略》还分析了影响先进制造创新与竞争力的关键因素:

1. 技术的飞速发展与经济力量相结合,正在迅速改变产品和服务的构思、设计、制造、分销和维护方式。制造业不再被视为独离于价值链而存在。

2. 发展先进制造,要以基于科技的基础设施为先行。近年来私人对制造业技术的投资大幅缩减,对基础和早期应用研究的公共投资以及公私合作研发可以帮助推动私营部门对先进制造业的投资和创新。

3. 投资先进制造,取决于可靠和可预测的知识产权。

4. 在制造业领先,不仅需要先进的技术,更需要在工业部门转化这些技术、有效利用新技术与平台的能力。新兴技术包括智能和数字制造系统、工业机器人人工智能、增材制造、高性能材料、半导体和混合电子、光子学、先进纺织品、生物制造、食品和农业制造等等。

5. 在先进制造业维持领先优势,需要能保护和提升美国工业的贸易政策。

6. 为获得满足先进制造就业要求的劳动力,需要提供更高水平STEM教育。

二、战略方向与战略目标

整个战略计划,为实现美国在先进制造领域领先地的愿景而制定,分别明确了3大战略方向的若干战略目标。这些战略方向以及目标分别为:

1. 战略方向一:发展和转化新的制造技术

    该战略方向下确定了如下未来四年的战略目标:

  • 1.1 捕捉智能制造系统的未来;

  • 1.2 开发世界领先的材料和加工技术;

  • 1.3 确保通过国内制造获得医疗产品;

  • 1.4 保持电子设计和制造的主导领先地位;

  • 1.5 加强粮食和农业制造业的机会。

2. 战略方向二:教育、培训和连接制造业人力

    为此确立了以下战略目标:

  • 2.1 吸引和壮大未来制造业劳动力队伍;

  • 2.2 更新和扩大职业和技术教育途径;

  • 2.3 促进发展学徒制和行业认可证书制;

  • 2.4 匹配熟练工人与对口行业。

3. 战略方向三:扩展、提升国内制造业供应链

    针对方向三,确定了以下未来四年的战略目标:

  • 3.1 加强中小型制造商在先进制造业中的作用;

  • 3.2 鼓励完善制造业创新的生态系统;

  • 3.3 加强国防制造业基础;

  • 3.4 加强农村社区的先进制造业。

三、技术优先领域

针对每个战略目标,《战略》还确定了一系列技术优先事项,每项优先事项都包括了在未来四年内需完成的具体行动与成果。以下详细介绍一些发展和转化新制造技术战略方向中涉及到的技术优先领域。

1. 捕捉智能制造系统的未来

该目标的技术优先事项包括智能和数字制造、高级工业机器人人工智能基础设施和制造业的网络安全。

智能和数字制造。智能制造通常是指集成传感器、控制和软件平台,以优化单元、工厂和供应链层面的性能;数字化制造则涉及应用集成的、基于计算机的系统,实现包括模拟、三维可视化、分析和协作工具,从而同时创建产品和制造流程。数字制造能无缝分流将设计和原材料转化为产品所需的信息,从而形成一个高度互联的工业企业,可以通过一条供应链中跨越多个公司;智能制造通过检测和纠正异常来执行从设计和原材料到产品的转化,确保产品的一致性、质量和可追溯性。这些进步依赖于强大的工业物联网(IIoT)、可广泛应用于各种制程的机器学习算法、可在集成信息中枢系统中即插即用的机床和控制器,等等创新。

图表 2 美国空军提出的“数字线程”概念被引入工业界 

图表 3 美国提出的智能制造概念

智能和数字制造的最终承诺是从设计到生产的无缝集成、并生产有保证的优质产品;但当前的实施还缺乏100%的可靠性,大部分工程成本正是用于修复生产和定制化智能制造方法到特定流程的失败。

因此,《战略》计划在接下来的四年中采取以下具体行动:

1)通过将大数据分析、先进的传感和控制技术应用于大量制造活动,促进制造业的数字化转型;2)优先支持生产机器、流程和系统的实时建模和仿真,以预测和改进智能和数字制造的性能和可靠性;挖掘历史设计、生产和性能数据,以发现潜在的产品和工艺技术要点;3)制定标准,实现智能制造组件和平台之间的无缝集成。

先进的工业机器人。协作智能机器人可实现人机协作,从而减少工人的精神和身体压力,降低制造成本,提高质量,并快速响应不断变化的客户需求。先进的机器人系统可以执行多项任务,从而减少了资金投入,并通过消除对多种专用工具的需求来提高制造的灵活性。基于机器人的生产系统还可以实现高效的批次生产。

机器人技术向成熟化迈进,还需要在包括人机交互、适应性、学习、操纵、自主性、移动、敏捷性、灵活性和感知等方面进一步提升。此外,由于人类同事本身就是不可预测的,人工智能方面的新突破需要允许机器人预测人类行为,从而提高职业安全。

人工智能基础设施。云计算数据分析和基于人工智能(AI)的计算建模的融合,将成为推动IIoT发展的关键因素,允许各个制造商从每个制造商的集体经验中提取精确指导。机器学习将为未来的制造系统提供从所有类似系统的生产经验中获得的有益历史知识。

《战略》计划,未来四年将制定人工智能的新标准并确定最佳实践,以确保在行业内和跨行业的制造数据的一致可取性、可访问性和可利用性,同时保障数据安全性并尊重知识产权;并将优先考虑为美国制造商开发数据访问、加密和风险评估的新方法。

制造业的网络安全。随着智能制造业的实施增长,美国制造业越来越容易受到恶意行为者和数据盗版的攻击。制造业是国家和竞争对手赞助的间谍活动的一个特别诱人的目标。数据不仅会被盗,而且可能被更改和操纵以产生有缺陷的产品,这将导致系统中断和故障。加强网络安全是国家的优先事项。

2. 开发世界领先的材料和加工技术

该目标的技术优先事项分别为高性能材料、增材制造和关键材料。

高性能材料。发现和开发轻质和现代金属,复合材料和其它类型的先进材料,在国防、能源、运输和它他领域具有提高性能的巨大潜力。许多美国高科技公司使用昂贵的材料和加工方法使其产品保持在性能的最前沿,而其它公司则是大批量、低成本生产的领导者,在降低生产成本方面具有丰富的经验——高技术和大批量非竞争对手之间的专业知识转移,既可以降低高性能产品的成本,又提高低成本产品的性能,将为所有行业提供显着的优势。使用高性能计算预测材料行为的强大新方法将促进这种知识转移,例如材料基因组计划中的先驱计算方法,可以计算出先进材料系统在加工和使用中的可能属性,从而最大限度地减少目前设计新材料需要的昂贵且耗时的实验。

增材制造。增材制造使用三维印刷和相关技术直接创建结构的能力,正在从每个部件的成本到系统的性能,深刻地影响商业和国防制造。例如,单片高性能金属零件的增材制造可以为航空航天领域带来可观的重量减轻和性能提升。类似地,生物细胞印刷有望产生未来的人体组织和器官。

增材制造在制造行业的充分应用取决于能否可靠地设定加工参数,从而在不同机器和不同地点之间产生可靠和可重复的生产,需要机器/工艺标准化和可靠的成分材料质量。随着增材制造生产能力的扩大,需要在基础研究的支持下进行新的标准化工作,以确保生产零件的可重复性和可靠性。

3. 确保通过国内制造获得医疗产品

该目标的技术优先事项是低成本的分布式制造、连续制造和组织和器官的生物制造。

4. 保持电子设计和制造的主导领先地位

该目标的技术优先事项包括半导体设计工具和制造,和新材料、设备和架构。

半导体设计工具和制造。半导体和微电子工业创新的一个重大障碍是使用先进半导体材料和工艺的集成电路设计工具和制造厂造价昂贵。购买设计和生产新材料多层结构所需的专用设备成本极高、维护又需要训练有素的操作员。基于这些原因,设备一般都必须进行连续生产以摊薄其高成本。连续生产的要求限制了对新制造材料和设计的探索,因为转换到新工艺所需的时间会中断高价值生产。此外,将新材料引入传统的半导体制造厂可能会污染整个设施,使其不适合进一步生产。

因此,《战略》要求优先考投资建立半导体制造厂和相关的设计工具,以使整个美国的设计者能够获得在先进半导体材料中试验和商业化电路设计所需的制造服务,以确保在美国国内保留和制造新的微电子技术。主要从原型设计阶段开始,研究提供灵活制造的方法,允许创建新设备和测试新材料;并广泛使用外来材料,如绝缘体和生物细胞制造计算硬件的设施,来研究、开发和有效地实施在未来神经计算机中使用的新计算机体系结构。

新材料、器件和架构。自2012年以来,摩尔定律日渐受到晶体管最小可制造特征尺寸的理论限制的挑战。寻求持续的性能提升需要进一步开发新技术,包括3D系统级芯片集成、隧道场效应晶体管、自旋电子学、集成光子学、III-V化合物半导体与硅基器件的集成,以及量子信息系统,等等。板级技术也是一个优先事项,包括集成电子设备的3D打印,柔性混合电路和卷对卷制造。《战略》还提出优先研究领域应包括精确传感(包括时间,空间,重力和电磁)、健康和资产监测传感器、光伏和医疗设备等。最后,对量子计算的投资必须继续成为在未来复杂的电子设计和计算能力中保持全球领导地位的优先事项。

5. 加强粮食和农业制造业的机会

该目标的技术优先事项是食品安全的加工、测试和可追溯性,粮食安全生产和供应链,以及改善生物基产品的成本和功能。

食品安全中的加工、测试和可追溯性。先进制造业在农业生产、食品加工和食品安全方面发挥着重要作用。食品制造包括工程、加工技术、包装、卫生、机器人、纳米技术、传感器、高速自动化、数学建模、数字成像、质量/安全检查和其他学科。将智能和数字制造概念转移到食品制造,可以改善供应链的完整性。

四、政府部门分工

《战略》提出,美国联邦、州和地方政府必须共同努力,通过集中支持研发的行动来支持先进制造业,培育劳动力,促进自由和公平贸易,并建立一个释放私营部门活力的监管和税收体系。其中,联邦机构通过投资研发,教育和劳动力发展,在促进先进制造业发展方面发挥着关键作用,下图显示了《战略》要求各联邦部门针对不同战略方向下具体战略目标需要参与计划任务。

图表 4 具体战略目标涉及的美国联邦部门分工 

本文由机器之心经授权转载自SIMIT战略研究室(ID:SIMITSRO),是中国科学院上海微系统与信息技术研究所的战略研究部门,专注于信息功能材料、传感器与集成电路、物联网人工智能等信息技术领域的发展战略。

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