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卢秉恒:智能制造与增材制造

  导读: 9月24日,第十八届中国科协年会开幕式上,中国工程院院士、中国机械工程学会副理事长卢秉恒作题为《智能制造与增材制造》的大会特邀报告。以下为报告全文:

  各位领导,各位专家,各位科技工作者,很高兴有这样一个机会跟大家作交流和汇报。我今天讲的是智能制造与增材制造,增材制造就是3D打印,智能制造也是现代先进制造技术的非常典型代表。

  我们国家装备制造业有了非常大的发展,刚才怀部长说了,500多种产品当中,我们有220多项走到世界前列,尤其是大的发电设备、大型机床、支线飞机,高铁、动车组、深水钻井平台等等,都走到世界前列。制造业总量第一,连续几年了,但是我们还有问题,在制造大批量产品做得比较好,但是在专、精、特方面有我们的短处,另外在价值竞争上,是低端竞争,所以在高端产品上,我们还很难进入,尤其是制造的生产能力过剩,但是研发能力严重不足。

  近来国家在制造业方面给予了很大的关注,做了很多很有成效的工作。但是,在基础装备和基础工艺方面,我们还有短板,数控专项开展以后,在制造业的基础装备,就是高档数控机床方面有了很大的突破和发展,但是在产业化方面,还是需要进行努力。我作为数控专项的总师,也给大家汇报一下我们近些年来在这个领域取得的显著进步。八大类标志性的装备,解决了航天工业从单件制造走向批量制造的一个短板。我们高档数控机床在核电发展方面、CAP1000方面发挥了很大的作用,在大型的铸锻件的加工制造完全可以用自己的设备支撑了。我们的数控系统已经可以用在五轴联动的机床上,五轴联动的机床已经在航空航天开始批量应用,例如在沈阳飞机工业集团、中航工业成飞公司、航天八院,都得到了非常好的推广。

  我们西南第二机场制造的汽车生产线冲压设备,已经占据国内市场的70%,占据世界市场的30%,已经能够出口到美国,美国引进了九条我们的生产线,走到了前列。我们还在其他一些国家的重大工程上发挥了很大作用。例如搅拌摩擦焊设备在生产火箭的大型铜体箱方面是非常关键的装备。我们的高档的和中高档数控系统已经开始批量进入工业应用领域,在功能部件、在可靠性方面,还是有许多值得攻关的地方。随着制造业的推进,已经从电气化时代、数控化时代走向智能化时代,所谓智能制造的装备,就是装备上有传感器,有工艺优化的软件来支撑。

  大数据已经形成了科学研究的第四范式,就是数据密集型的科学发现,这里面一个杂乱无章的图形,看不出什么,但是经过大数据的解析,就有所发现。这就很形象地说明了我们怎么样从大量的看不出规律的一些数据当中得出我们的科学发现,基于数据的科学发现,可能是今后我们科学发现的一个非常重要的手段。但是现在制造大数据,一方面具有社会大数据的特点,当然也有制造的特点,突出表现在,数值型、非数值型数据,结构性或者非结构性的数据,连续的和离散的都是并存的。当然,我们制造大数据比起社会大数据来说,还更有规律可循。制造大数据可能有更多的结构化的数据,甚至更多的经过科学定义、经过人为的收集,一些典型的结构化的甚至结构统一的数据,比社会大数据更方便的应用。所以,建议做大数据研究的专家,应该多注意制造大数据。

  从支撑来说,大数据对设计、制造、运行和服务都是非常大的支撑。比如数据设计,认为中国的机床企业有一个毛病,自己不建实验室,把用户当作他们的实验室,这的确是个很大的问题,他们对工艺就不能很好地掌握。但是我们的制造业基础还是比较薄弱,他们经济实力还不太强大,建不起实验室。尤其航空航天这些大型的高难度的制造件,是贵重的金属组成的,所以很难自己建一个实验室进行切削加工,得出规律。到了大数据时代,我们可以把弱项走向强项,刚才我看到怀部长提的换轨超车,我们把我们的数控系统如果做成一个能够自动收集数据的系统,就可以把用户的真实结果进行相关分析,我们就得出我们的机床设计是在主轴上、是在刀轨上有问题,我们改进我们的设计,这就走向基于真实切削加工数据的设计,我相信我们走这个路,一定把自己的机床能设计得更好,走向最先进的水平。

  制造过程就不用说了,大数据也支撑我们实时的监控,能够控制我们的加工质量,数控编程,是按照我们事先的设想进行走动轨迹,走向完全可控的,是以我们制造的质量和效率为目标的一个监控。在运行阶段,我们可以保证一些重大装备的安全运行,甚至提前预警做出计划,包括飞机也是这样。服务方面,更是大数据的支撑,能够加强我们制造业有个非常正确的方向,使用户得到满意。

  大数据怎么样做机床的改进,我做了一个图,实际上是借用人工神经网络的概念,从我们切削加工的案例中得出我们中间的切削热、切削力、振动这些,我们获得的尺寸精度、粗糙度和表面完整性的结果,推演出我们的机床应该怎么设计,把我们找不清楚的那些规律,用数据来支撑,来发现。

  我建议,在制造大数据方面,我们尽早部署,开展工作,加强战略的谋划和前瞻性部署,做一些基础的理论的研究,攻克大数据的核心技术,来逐步建设并且逐步完善我们的制造大数据的体系平台,尤其是要关注数据标准的研究。这个数据标准的研究,可能以后关系到我们中国的话语权,关系到我们的硬件和软件能不能进入世界市场,甚至包括国内市场的占领度。同时,应该使我们大数据的讨论不光是停留在理论上、探索上,而是真正实实在在地做事。

  下面我介绍增材制造(3D打印),大家都对这个非常关注,3D打印的核心就是把原来的减材制造、等材制造变成材料增加型制造。增材制造铸锻焊我们已经发展了3000多年了,我们在三星堆博物馆都可以看到精美的铜器铸造。减材制造,电动机的发明以后,到现在三百年历史,而增材制造起源于八十年代中期,整整三十年,这是一个新发展的技术,是个突破性的、革命性的技术。麦肯锡预测,12项颠覆性技术中,3D打印排第九,这是2013年的预测。而且预测今后将会形成万亿美元的产值。这样一来,3D不仅从概念上,可能走上价值链的三分天下。首先它对产品开发是颠覆性的技术,使原来开发的周期和费用降为原来的1/2以下,而且各个领域都有很好的应用。3D打印由于是把减材变成增材,在航空航天、很多大型柔性件,加工切削要95%的材料,如果用3D打印去做,材料的利用率提高到80%以上,而且可以把很多的结构集成为一体,这样一来,将会使飞机的重量大为减轻,甚至变为原来的2/3就够了。而且在制造中,逐渐从研发实验中验证的一体化打印,走向我们向飞机发动机这样复杂的产品能不能一体化地打印。

      3D打印带来的很多装备和产品再设计,因为由这个制造的理念,摆脱了以前加工方法给设计者带来的约束,给创新设计带来非常巨大的空间。刚才讲的那个例子,包括两万多个零件的汽车,也可能变成几十个件,这样一来,大大简化了生产流程,节约了成本,也可能提高制造的速度。

  图边上这个是个飞机发动机的喷嘴,GE公司把20个零件集成为一个零件制造,使燃油效率提高了15%,原来要开发一代新的发动机花上几十亿欧元才能达到这样的效果。3D打印同时开辟了一个新的生产模式,就是把批量化制造可能变成个性化定制,而且制造成本和周期都可能提升不多。同时,他为广大的创新设计带来了非常好的验证手段,因此我们今后的创新工作者不再受单位工作职位的约束,它可以设计新的服装,可以设计新的飞机结构,用自己的3D打印机在家里就可以进行验证,这样一来我们就可以有很多创新的东西就会不断涌现,用网络化平台,用3D打印去支撑万众创新和万家创业,是个非常好的工具。同时,也开辟了科研的新手段,就是用3D打印做材料基因组计划的验证平台,不需要那么复杂的熔炼设备,不需要消耗那么多能源,用一缸材料粉,就可以达到几千度的高温来冶炼出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀的一些优异的合金材料。同时,我们也可以进一步通过细胞打印、器官再创以及基因再创,用3D打印的办法支撑生命科学的高速发展。

      3D打印的趋势正在从专业化走向社会化,从产品开发的工具,走向批量生产制造的手段,有可能在航空航天方面首先获得突破。另外,从控形的制造走向控形控性,从3D打印走向4D打印,智能材料,打印之后还能改变形状。5D打印,改变以后还可以赋予它生命,人体的活性器官可以用3D打印的办法快速的定制。以后从技术概念的三足鼎立走向产业效益的三分天下。现在甚至在设想,我们今后可能把制造业的一部分搬到太空中去,因为在太空中进行3D打印有很多的优势优点。

  现在3D打印正在处于技术发展的井喷期、产业发展的起步期,很多企业都在跑马圈地。怎么样推广这些先进制造技术。我们中国制造2025正在进行加紧推进,但是我们要认清有哪些优势、有哪些劣势,我们要必须通过全社会的协同创新,才能做到中国制造2025规划的宏伟蓝图。首先,我们要做好协同,例如我们科技研发的计划,怎么样很快地推新工业应用。像我们高端数控机床做出来以后,还有一些问题,可靠性还不够高,但是如果不给他机会,那他老是找不到应用方面去。实际上现在我们很多方面生产能力不够,例如我们的航空航天,任务压力很大,我们的机床企业,有些非常积极地愿意去给他们做加工工厂、做代工工厂,可以不可以? 这想起来是非常好的主意,但是里面还存在体制性的一些障碍。 

  另外,产学研协同方面,我们企业为主体,我们发现有一些个别企业把争取国家的科研经费当作企业困难的一种补贴,而不是把自己当作一个研发的主体,当作一个成果应用的主体,当成一个集成创新的主体。怎么才能使我们的科技研发和企业的发展协同起来。像我们正在建设创新平台,国际的一些先进的模式,我们是要考虑的。像德国弗朗霍夫研究院方式非常好,经费的来源最后就走向政府、项目和企业委托各拿1/3,既体现了先进的水平、国家的意志,又体现了市场的需求。而美国是利用它的网络的发达、信息技术的发达,来做制造创新网络。我们中国应该是二者兼而有之,既有用网络进行推广扩大,又要有自己的核心研发力量。

  另外,大数据也是支撑我们整个科研的一个重要的手段,我们科技的计划,也希望能走向更多的协同。我们的人才培养模式,应该倡导更多的把论文写在产品上,写在装备上,而不是在装饰评价一些论文,尤其是工科的学科,我认为应该有正确的评价机制。当然,由高校自己建企业,也是不对的方向。但是我们高校的教师怎么样到企业中去发挥作用,这是可以探索的一种模式,例如高校的老师在搞好科学的同时,到一个企业做兼职,你能够做到主任设计师,就有升讲师或者升教授,你能做到企业副总这一级,而且确实发挥了作用,你就可以升教授。像德国的教授,都要有四、五年的企业工作经历。德国弗朗霍夫研究院领袖也是大学的教授,但是这个教授在大总统企业作过副总一级的管理人员的。当然,我们在新的信息化时代,信息化和工业化两化融合,我们更需要创新,需要更大量的极客或创客做创新。所谓极客,就是那些痴迷科研的人,他们1/3在大学,1/3在自家的车库里,1/3在高新区的孵化器里,这是美国的统计,我们的教育应该向这方面倡导。应该打破单位的围墙对人员的束缚,让知识流动起来,尤其是我们高校的一些科研力量,在网络化、智能化这些服务的平台上,为制造业做更多的服务。

   谢谢大家。

(来源:中国科学技术学会,http://zt.cast.org.cn/n435777/n435799/n17207984/n17377676/17386053.html


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