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)，充分運用協(xié)同創(chuàng)新機制，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)濟競爭的焦點，國防高端制造裝備迎來快速發(fā)展機遇期
經(jīng)濟危機后，實體經(jīng)濟的戰(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，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)展基于賽博實物系統(tǒng)（CPS）的智能制造裝備，積極布局“智能工廠”，推進“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，美國于2013年發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略》，其核心是實現(xiàn)智能機器、高級分析和人的有機融合，推動智能制造成為美國制造業(yè)的發(fā)展重點和未來方向。
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《確保美國先進制造的領(lǐng)先地位》，提出重點發(fā)展新一代機器人、創(chuàng)新型節(jié)能制造工藝等；2012～2014年，相繼出臺《制造業(yè)促進法案》、《先進制造伙伴計劃》、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，機械臂頭部一次可裝入16束碳纖維，能在多個方向上精確運動以實現(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，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)新機構(gòu)、DARPA、NASA等機構(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)新機構(gòu)，并通過國防部牽頭組建的“美國造”制造創(chuàng)新機構(gòu)、數(shù)字化制造與設(shè)計創(chuàng)新機構(gòu)，大力推進智能機器、增強現(xiàn)實、可穿戴計算、賽博實物系統(tǒng)、先進增材制造裝備等智能制造裝備相關(guān)項目的研發(fā)。2016年，美國防部提出制造創(chuàng)新機構(gòu)將重點關(guān)注先進機床和控制系統(tǒng)、輔助和柔性機器人等領(lǐng)域。早在2010年，DARPA就啟動了自適應(yīng)車輛制造項目，旨在預(yù)先研究智能制造裝備和技術(shù)，以實現(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、賽博實物系統(tǒng)，推進可持續(xù)制造。
機器人制造裝備、智能機器、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實驗室宣布建成世界上首臺機器人增材制造裝備。該裝備集成了德國ABB機器人公司的商用6軸機器人系統(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，可實現(xiàn)航空航天高性能碳纖維增強熱塑性復(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，也是機器人制造裝備的典型；2014年，波音公司“機身自動站立裝配”裝備通過技術(shù)驗證，已用于“波音”777飛機裝配。此外，波音公司將先進態(tài)勢感知、賽博實物系統(tǒng)等技術(shù)引入飛機裝配生產(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筋制造自動化工裝裝備研究，可大量節(jié)省艦艇加強筋的建造成本。
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)控機床進行升級改造，使同一機器同時具備增材制造和減材制造雙重工藝能力，進而大幅提升生產(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，機器人與常規(guī)制造裝備的復(fù)合化、基于賽博實物系統(tǒng)的智能機器互聯(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，并進行自動化集成裝配的需求，NASA、DARPA等政府機構(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打印機研究。2014年，該公司研制的首臺試驗型零重力3D打印機被送往國際空間站；2015年2月，完成了首輪太空3D打印試驗；2016年3月底，第二臺太空3D打印機被送往國際空間站，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。
太空機器人集成制造裝備研發(fā)加速推進
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)星的機器人裝備（“蜻蜓”項目）；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”項目基礎(chǔ)上，發(fā)展利用機器人在太空制造、裝配航天器和太空結(jié)構(gòu)的技術(shù)（“臨界點”項目）。兩個項目都致力于發(fā)展太空機器人集成制造裝備。
太空機器人集成制造裝備和3D打印機制造裝備的一體化系統(tǒng)成為發(fā)展重點
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，實施“多功能太空機器人精密制造與裝配系統(tǒng)”（Archinaut）項目，旨在研發(fā)裝有多個機械臂的3D打印機，并將其安裝在國際空間站上，未來可利用Archinaut的機械臂，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，海洋工程太空系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)制造打印機上的機械臂，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，從國家層面對其進行統(tǒng)籌建設(shè)和發(fā)展。通過加強管理，加大政府投入，充分發(fā)揮制造創(chuàng)新機構(gòu)、DARPA、NASA等機構(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”項目由“美國造”創(chuàng)新機構(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驗室等共同完成。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)將實驗室研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，為開展創(chuàng)新提供了良好條件和機制。例如，根據(jù)計劃，NASA每年通過項目招標(biāo)、項目評估等確定創(chuàng)新項目。這些創(chuàng)新項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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