简述21世纪先进制造技术的发展

　　1 引言

　　　所谓先进制造技术，是制造业不断吸收信息技术及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。也就是说，它不再是传统意义上的机械加工，而是以计算机技术为平台，集机械、电子、光学、信息、材料、能源、环境、现代管理等于一体，贯穿于产品全寿命周期，并以取得理想的经济效益为目标的有机整体。

　　自20世纪80年代末，国际上提出先进制造技术(AMT)的概念以来，以CAD/CAM技术、快速原型制造技术、柔性制造系统技术、计算机集成制造系统技术、虚拟制造、绿色制造、敏捷制造等为代表的一系列AMT在诸多国家和地区得到迅速的发展和广泛的应用，逐步实现了：

　　(1)柔性化。以同样的设备与人员生产出不同产品或实现不同的制造目标。

　　(2)自动化。减轻、强化、延伸或取代人的有关劳动，实现制造系统中人一机一系统的协调、控制、管理和优化，提高了工作效率，保证了产品质量。

　　(3)敏捷化。企业能实现快速重组重构，迅速而有效地综合应用新技术，对用户、贸易伙伴和供应商的需求变化及特殊要求能迅速做出反应。

　　(4)虚拟化。通过计算机仿真软件来模拟真实系统，检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性，进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真，从而发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误，保证产品制造的成功和生产周期。

　　进人21世纪后，以计算机技术、网络技术和通信技术等为代表的信息技术、生物技术及新材料技术，被应用于制造业的各个领域，使制造技术发生质的飞跃，制造生产模式发生了重大的改变。2004年，日本启动了“新产业创造战略”，为制造业寻找未来战略产业。这已引起美国、欧洲、日本在机械制造技术上新一轮的竞争。

　　2 AMT新发展

　　目前，国际上对AMT的研究主要有网络化制造、微电子机械系统、快速原型制造、生物制造等。

　　2.1 网络化制造

　　所谓网络化制造(Networked Manufacturing，NM)是指按照敏捷制造的思想，采用Internet技术，建立灵活有效、互惠互利的动态企业联盟，实现研究、设计、生产和销售各种资源的重组，从而提高企业的市场快速响应和竞争能力的新模式。

　　Internet技术的高速发展带来了网络基础架构的不断完善，同时也催生出一种新的服务方式application service provider，即“应用服务提供商”，简称ASP，ASP作为一种业务模式，是指在共同签署的外包协议或合同的基础上，企业客户将其部分或全部与业务流程的相关应用委托给服务提供商，由服务商通过网络管理和交付服务并保证质量的商业运作模式。SP产业协会把ASP定义为“一个通过广域网(WAN)管理和传递给多种实体许多应用能力的组织”。另外，对ASP现在有一种比较新的说法是“On Demand”，或“Software as a Service( SAAS) ”，是一种软件的使用模式，也应该是一个比较有前途的商业模式。

　　网络化制造应用服务(MASP，Manufacturing Application Service Provider)可为产品设计和制造过程提供服务和优化，并且可以进行虚拟的工艺仿真作为产品设计和工艺制定的参考。通过网络化应用服务中进行产品及其制造工艺的模拟仿真与优化设计和协同制造，能够大大节省企业的投资并提高生产效率。另外企业的技术人员也可以由客户端直接在远程服务器上进行产品与工艺的优化设计或模拟仿真。

　　网络环境下的制造是新时代发展的需要，该系统能充分利用网络优势，利用各种人力物力资源，将知识工程和仿真技术融入系统，来为制造行业服务：

　　(1)运用在模具制造行业。例如，我国深圳市模具网络化制造示范系统，通过将CAD/CAM技术、虚拟设计与制造技术、计算机网络技术、快速成型及后处理等有机结合在一起，形成了异地人员、技术、设备优势的模具的设计与制造网络系统，能够大幅度提高制造能力和提高劳动效率，克服以往模具制造中的周期长、成本高、反应速度慢等缺点。

　　(2)应用于企业的动态联盟。比如，法国宇航公司、英国宇航公司、德国DASA公司和西班牙形成了Airbus集团，Airbus的ACE (Airbus Concurrent Engineering)采用了相当于波音公司的异地无纸设计技术并实施并行工程，以求在空中客车系列飞机的研制中与波音公司相竞争。

　　(3)应用于汽车制造行业。一个典型的例子就是2000年，三大汽车公司—通用汽车公司、福特汽车公司以及戴姆勒一克莱斯勒终止各自的零部件采购计划转向共同建立零部件采购的电子商务市场，使每笔交易的平均成本从100一150美元降低到不到5美元，每辆汽车的制造成本至少降低了1200美元。

　　2.2 微系统

　　随着人们对许多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求，使零部件的尺寸日趋微小化。此外，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置等都需要微型的齿轮、电动机、传感器和控制电路。而微机械的应用也取得显著的经济效益，比如汽车的安全气囊的传感器采用微细加工技术，把传感器和电路蚀刻在一起，使成本从每套25美元降至10美元，这些需求导致了微纳制造技术的出现，也促使了微机器向系统化方向发展，并形成了有广阔发展前景的微系统(Micro-Systems)。

　　微系统作为一个独立的智能系统，主要由微驱动器、微传感器、微执行器、微处理器和微能源等基础要素组成。它可分成几个独立的功能单元：输入物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理(模拟的或数字的)，通过执行器与外界作用，每一个微系统就可采用数字或模拟信号(电、光、磁等物理量)与其他微系统进行通信。由于它体积小、重量轻、耗能低、性能稳定;有利于大量生产，降低生产成本;惯性小、谐振频率高、响应时间短;集约高科技成果，附加值高，其应用领域相当广泛：

　　(1)在生物医疗中，其应用具体有以下几方面：定向药物投放系统、低损伤手术用微型机器人、手术用内窥镜及钳子和微小分散型人工脏器。例如：进行视网膜开刀时，大夫可将遥控机器人放入眼球内，在眼球运动条件下进行高难度手术。另外，临床分析化验和基因分析遗传诊断所需要的各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计都可用MEMS技术制造。

　　(2)在宇航中，已可用全集成气相色谱微系统散布在广漠的太空中，进行星际物质和生命起源的探测。将特制微机器人送到某星球上，在星球上飞行，所载摄像系统即能协助轨道器画出星球的地形地貌图。

　　(3)在工业领域，可用微机器人去清除锈蚀，检查和维修高压容器的焊缝。现在日本Seiko公司已经研制出的“Yamakoski Ichro”行走机器人，外形微小，只有8.6mm x 9.3mm x 7.2mm，但却可在狭小的空间内，细小的管道内行走、作业和维修，用途广泛。

　　(4)在环境科学方面，利用MEMS制造的由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备，用来检测气体和液体的化学成分，检测核生物、化学物质及有毒物品，有体积小、价格低、功耗小、便于携带等优点。微机电系统电子鼻的形状类似人和动物的鼻子，能探测和识别各种气味。

　　2.3 低温快速原型制造技术

　　快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing,RPM)技术是20世纪80年代末发展起来的一种集CAD/CAM、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术等于一体的先进制造技术，实现了从零件设计到三维实体原型制造的一体化。

　　在RP技术中，传统的几种成形工艺大多以激光作为能源，而激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费用昂贵，致使成型件的成本较高。另外，在成形过程中，这些工艺有一定的粉尘、有毒化学气体甚至是激光或液态聚合物的泄露等而不符合绿色制造发展趋势。如果对RP技术采用低温，即低温快速成形(LT-RP, Low Temperature-Rapid Prototyping)技术，则可以解决这些问题。随着对更低制作成本的追求，低温冰型快速成形工艺发展非常快，同时发展出不同的低温转换工艺：

　　(1)由清华大学激光快速成形中心首先提出了低温冰型快速成形(IRP，Ice Rapid Prototyping)工艺。以水或溶液作为成形材料，在数字信号控制下，水或溶液的微滴通过按需喷射，在低温环境中迅速凝固，逐层粘结、堆积，最后获得冰型。这种新工艺基于喷射而非激光，并采用水作为原材料，整个成形过程及成品均实现了节能减耗、绿色无污染，应用前景广阔。例如，将IRP原型与低温熔模铸造或其它特种铸造工艺相结合制造金属件，是一种新的工艺路线。

　　(2)由于只有在低温下，生物材料和细胞才可能保持其生物活性，因此开发低温下多喷头复合数字喷射技术，将多种材料(不同物理、化学和生物学性能的材料)和细胞通过微量喷头，定量、实时、无流涎地根据计算机指令所规划的路径精确堆积成形，对生物制造具有决定性的意义。

　　以生物材料和细胞作为成形材料，采用不同LT-RP工艺，可以获得骨组织工程支架，并且可以推广到具有复杂生物功能的组织工程支架的直接成形，甚至应用于细胞三维直接组装。这也是一种应用于医学领域的新颖的绿色制造。

　　2.4 生物制造

　　21世纪是生命科学的世纪，随着纳米制造技术、材料科学等新技术的不断发展，机械科学和生命科学正在深度融合，先进制造技术的一个重要方向—生物制造技术正在形成。

　　制造过程、制造系统和生命过程、生命系统在许多方面有相似之处，生命系统和现代制造系统都有自组织性、协调性、应变性和柔性等特点。在生命科学的基础研究成果中选取富含对工程技术有启发的内容，并将这些研究成果同制造科学结合起来，可以建立新的制造模式，开发出新的加工工艺。日本三重大学和冈山大学率先开展了生物技术用于工程材料加工的研究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。例如，氧化亚铁硫杆菌T一9菌株可以去除纯铜、纯铁和铜镍合金等材料。由于氧化亚铁硫杆菌T-9菌株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自养菌，可以将亚铁离子氧化成高铁离子以及将其它低价无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐，可掩膜控制去除区域，达到去除的目的。目前，这方面的进展还只限于实验室的原理探索，只采用了少数种类的微生物对少数金属进行了试验，对零部件的实际应用尚在探索之中。另外，还可以开发自生长成形工艺，即在制造过程中模仿生物外形结构的生长过程，使零件结构最外层各处开头随其应力值与理想状态的差距作自适应伸缩直到满意状态为止。

　　3 AMT发展趋势

　　随着全球经济竞争的不断激烈化，AMT的发展在柔性化、自动化、敏捷化、虚拟化等基础上，趋向以下几个发展方向：

　　(1)网络化

　　制造业随着经济的全球化也开始步入全球的一体化。从采购、设计到制造加工，再到销售，已不再局限于某个企业、某个集团或是某个国家。地域的分散性，必将给企业的经营和管理带来诸多不便，随之而来的是制造成本的增加。随着网络通讯技术的迅速发展和普及，企业可以通过制造的网络化，有效组织管理分散在各地的制造资源。另外，制造企业也可以基于网络实现世界范围内的动态联盟。这些都属于虚拟市场，基于信息化与虚拟化技术的进一步延伸。

　　(2)集成化

　　制造业已不再局限于先进的制造加工技术，而应是集机械、电子、光学、信息、材料、能源、环境、现代管理等最新成就为一体的新兴技术。各个专业、学科间应不断渗透、交叉、融合，使技术趋于系统化、集成化。同时，为了更大限度的实现信息资源共享与优化，企业内部及企业之间也应该实现集成化。

　　(3)绿色化

　　大批量的生产模式是以消耗资源为代价的，而由此造成的资源枯竭和环境污染等问题已向人们敲响了警钟。最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前全球环境问题的治本之道，也是制造业探索更清洁、更优良的制造模式的重要方向，即通过绿色生产过程、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理等生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。

　　(4)极端化

　　“极”是前沿科技发展的焦点，即在高温、高压、高湿、强腐蚀等条件下工作的，或有高硬度、大弹性要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄的制造技术或产品。

　　(5)智能化

　　智能化是先进制造技术自动化的深度延伸。随着计算机技术的不断发展，制造业不紧要实现物资流控制的传统体力劳动自动化，还应信息流控制的脑力劳动的自动化，从而实现在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。致力于设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化、绿色化。

　　4 结语

　　当今世界各国的竞争，主要是先进制造技术的竞争。美国现在正推行以微电子带动的第三次产业革命，重点就是发展先进制造技术。世界各国都在致力于设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化、绿色化。