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美國先進制造國家戰(zhàn)略回顧與未來技術(shù)

王國彪, 宋建麗

10.3901/JME.2023.19.187

引用本文：

王國彪, 宋建麗. 美國先進制造國家戰(zhàn)略回顧與未來技術(shù)[J]. 機械工程學(xué)報, 2023, 59(19): 187-201.

WANG Guobiao, SONG Jianli. Review on the Advanced Manufacturing National Strategy of the United States and Prospect of the Future Technologies[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(19): 187-201.

原文閱讀（摘要）

摘要：一個國家經(jīng)濟的繁榮和發(fā)展在一定程度上取決于該國制造業(yè)的健康狀況，美國也不例外。先進制造技術(shù)一直是美國乃至全球制造業(yè)關(guān)注的前沿熱點。2012年、2018年和2022年，根據(jù)相關(guān)法案的規(guī)定和世界形勢的變化，美國分別制定和更新了三份先進制造國家戰(zhàn)略，始終圍繞確保美國先進制造技術(shù)在全球的領(lǐng)先地位這一總目標，均將發(fā)展先進制造技術(shù)作為振興美國制造業(yè)的重要舉措。在回顧了美國近年來發(fā)布的先進制造國家戰(zhàn)略背景及其內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，對當前美國主要部門(如國家科學(xué)基金會、商務(wù)部、國防部、能源部)實施的先進制造領(lǐng)域資助計劃/項目進行了概述，對未來先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是振興制造業(yè)的必由路徑之一，基于增強現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的制造將是未來先進制造技術(shù)的重要方向。面對人類的生命健康和糧食短缺，以及地球資源匱乏和環(huán)境惡化等挑戰(zhàn)，應(yīng)大力發(fā)展智能制造、生物制造、增材制造、太空制造、量子制造等前沿領(lǐng)域和方向。

關(guān)鍵詞：先進制造；國家戰(zhàn)略規(guī)劃；發(fā)展領(lǐng)域；未來技術(shù)

中圖分類號：TH16；TP249

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前言

制造業(yè)回歸一直是美國政府和各界關(guān)注的焦點問題之一。20世紀90年代以來，美國經(jīng)濟呈現(xiàn)加速“去工業(yè)化”趨勢，傳統(tǒng)工業(yè)城市逐漸衰落，制造業(yè)逐步流失，突出表現(xiàn)為美國制造業(yè)增加值占世界比重與占國內(nèi)生產(chǎn)總值比重逐步下降，制造業(yè)就業(yè)人數(shù)與相對比重也呈現(xiàn)加快下降的趨勢。《2010年美國競爭再授權(quán)法案》第102條“協(xié)調(diào)先進制造業(yè)的研發(fā)”，明確要求國家科學(xué)技術(shù)委員會制定戰(zhàn)略規(guī)劃，以指導(dǎo)聯(lián)邦政府支持先進制造研發(fā)項目和活動。同時，要求每五年對戰(zhàn)略報告進行更新。

2011年6月，總統(tǒng)科技顧問委員會(The President’s Council of Advisors on Science and Technology, PCAST)遞交了《確保美國在先進制造業(yè)的領(lǐng)先地位》報告，先進制造行動正式被確立為國家戰(zhàn)略，并建議實施先進制造伙伴關(guān)系(Advanced manufacturing partnership, AMP)計劃，標志著美國制造業(yè)進入一個新時代。2012年2月，美國發(fā)布首份《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略規(guī)劃》以下簡稱《2012-戰(zhàn)略》)報告；2018年10月，發(fā)布《先進制造美國領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略》(以下簡稱《2018-戰(zhàn)略》)報告；2022年10月，美國科技政策辦公室發(fā)布了第三份《先進制造國家戰(zhàn)略》(以下簡稱《2022-戰(zhàn)略》)報告，對重振美國制造業(yè)進一步深度布局。

美國先進制造戰(zhàn)略的核心目標是建立規(guī)模大、異質(zhì)高、韌性強的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)，促進制造業(yè)知識更新和傳播，弱化甚至消除線性創(chuàng)新模式與金融資本帶來的“死亡之谷”負面效應(yīng)，孕育顛覆性技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，重獲產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。三份戰(zhàn)略報告提出的諸多先進制造技術(shù)已成為推動制造業(yè)未來發(fā)展的新“引擎”。通過振興制造業(yè)來推動美國經(jīng)濟發(fā)展和國家安全，建立強大的美國供應(yīng)鏈、投資研發(fā)以及培訓(xùn)能夠保障全球經(jīng)濟的勞動力，從而保持美國制造業(yè)的全球領(lǐng)先地位。

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制定戰(zhàn)略的背景

制造業(yè)是美國最大的經(jīng)濟部門之一。據(jù)美國國家標準與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)統(tǒng)計，2021年，制造業(yè)為美國國內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross domestic product, GDP)貢獻了2.3萬億美元，占比12%，擁有1470萬名員工，占美國總就業(yè)人數(shù)的9.6%，平均薪酬比整個私營行業(yè)高出8.8%。美國的繁榮和發(fā)展在一定程度上取決于美國制造業(yè)的健康狀況。20世紀90年代以來，美國加速“去工業(yè)化”造成制造業(yè)衰退，使得制造業(yè)增加值占GDP比重從1970年的22.7%下跌至2021年的11.1%，就業(yè)人數(shù)占總非農(nóng)就業(yè)人數(shù)的比例從1970年的25.89%下跌至2022年的8.41%。2008年金融危機以后，美國逐漸意識到了“去工業(yè)化”所帶來的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)過分“空心化”問題，將重振制造業(yè)作為長遠發(fā)展的重要戰(zhàn)略，密集而持續(xù)地出臺了一系列政策措施。一方面，十分重視創(chuàng)新引領(lǐng)，認為創(chuàng)新是美國一直以來取得世界領(lǐng)先經(jīng)濟成就的關(guān)鍵；另一方面，為應(yīng)對金融危機引發(fā)的制造業(yè)急速下滑，全美各界掀起了克服危機的大討論，最為典型的是時任麻省理工學(xué)院第十六任校長的蘇珊?霍克菲爾德組織發(fā)起了多輪圓桌會議，號召通過技術(shù)創(chuàng)新，尤其是發(fā)展先進制造技術(shù)，解決制造業(yè)危機。經(jīng)過與學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界多輪對話、討論，逐步形成了一系列國家層面的政策建議和行動計劃，以確保美國有能力領(lǐng)導(dǎo)下一代制造業(yè)。與此同時，提高供應(yīng)鏈韌性、組建先進制造業(yè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等政策措施需要不斷更新先進制造國家 戰(zhàn)略。

在先進制造戰(zhàn)略規(guī)劃中，美國始終堅持戰(zhàn)略引領(lǐng)、行動部署的方針，建立了法案——創(chuàng)新戰(zhàn)略——產(chǎn)業(yè)(制造業(yè))戰(zhàn)略——先進制造戰(zhàn)略的四層級縱向一體化戰(zhàn)略格局，實現(xiàn)了從國家宏觀層面戰(zhàn)略規(guī)劃到先進制造業(yè)行動具體落地的系統(tǒng)設(shè)計，保證了國家對于解決產(chǎn)業(yè)“痛點”的意志。

經(jīng)過10余年精心謀劃和不懈努力，在一系列政策措施支持和推動下，美國基本遏止了制造業(yè)下滑的趨勢。綜合分析美國先進制造業(yè)的政策特點，主要包括四個方面：一是增加制造業(yè)就業(yè)；二是刺激制造業(yè)投資；三是通過研發(fā)投入，提升強化美國先進制造業(yè)的領(lǐng)先地位；四是通過減少貿(mào)易逆差，提高制造業(yè)的全球競爭力。

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戰(zhàn)略報告主要技術(shù)內(nèi)容

2.1 《2012-戰(zhàn)略》報告

《2012-戰(zhàn)略》報告從投資、勞動力和創(chuàng)新等方面提出了促進美國先進制造業(yè)發(fā)展的五大目標及相應(yīng)的對策措施，主要包括：① 通過培育更加有效的聯(lián)邦能力和設(shè)施的使用，加速對先進制造業(yè)技術(shù)的投資；② 增加正在發(fā)展的先進制造業(yè)部門所需的有技能的工人數(shù)量，使教育和培訓(xùn)系統(tǒng)對技能需求做出積極反應(yīng)；③ 建立和支持全國和地區(qū)的公私、政府—企業(yè)—高校之間的合作，以促進對先進制造技術(shù)的投資和資源配置；④ 通過采取跨部門的投資組合優(yōu)化聯(lián)邦政府先進制造業(yè)投資并適時調(diào)整；⑤ 增加美國公共部門和私人部門對先進制造業(yè)研發(fā)的總投資。

從報告中不難看出，美國在聯(lián)邦財政緊縮情況下，仍增加對先進制造業(yè)研發(fā)計劃撥款，支持創(chuàng)新性制造流程，加強對納米制造、生物制造、工業(yè)機器人、3D打印、先進設(shè)計、新一代信息網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things, IoT)、先進材料及國防科技工業(yè)等領(lǐng)域的投資。

2.2 《2018-戰(zhàn)略》報告

《2018-戰(zhàn)略》報告展示了美國引領(lǐng)全球先進制造的愿景，提出通過發(fā)展和推廣先進制造技術(shù)、教育和培訓(xùn)制造業(yè)勞動力、提升國內(nèi)制造業(yè)供應(yīng)鏈能力三大目標任務(wù)，以確保美國國家安全和經(jīng)濟繁榮；分析了影響先進制造業(yè)創(chuàng)新和競爭力的八大因素，從“強技術(shù)、育人才、建網(wǎng)絡(luò)”著手強化先進制造領(lǐng)導(dǎo)力基礎(chǔ)，將“技術(shù)、勞動力、供應(yīng)鏈”三方面作為保障先進制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位的核心要素。

在技術(shù)方面，報告明確了捕獲智能制造系統(tǒng)的未來、開發(fā)世界領(lǐng)先的材料和加工技術(shù)、確保通過國內(nèi)生產(chǎn)制造得到醫(yī)療產(chǎn)品、保持在電子設(shè)計和制造方面的領(lǐng)先地位、增加糧食和農(nóng)業(yè)制造業(yè)機會等戰(zhàn)略任務(wù)，以及智能和數(shù)字制造系統(tǒng)、先進工業(yè)機器人、人工智能(Artificial intelligence, AI)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全、高性能材料、增材制造(Additive manufacturing, AM)、關(guān)鍵材料、低成本的分布式制造、連續(xù)制造、組織和器官的生物制造、半導(dǎo)體設(shè)計工具和制造、新材料、器件和結(jié)構(gòu)、食品安全加工、檢測和可追溯性、食品安全生產(chǎn)和供應(yīng)鏈、改善生物基產(chǎn)品的成本和功能技術(shù)等重點技術(shù)方向。報告提出了未來需要重點關(guān)注的11個技術(shù)領(lǐng)域，包括：(1)先進傳感、測量和過程控制(包括信息物理系統(tǒng))，或稱智能制造、先進自動化；(2)先進材料設(shè)計與合成；(3)可視化、信息化和數(shù)字化制造技術(shù)；(4)可持續(xù)制造，包括高能效制造和再制造；(5)納米制造(包括微尺度制造)；(6)柔性電子制造；(7)生物制造；(8)增材制造；(9)先進制造和檢測裝備；(10)工業(yè)機器人；(11)先進成形(包括近凈成形)與焊接技術(shù)。

報告還對《2012-戰(zhàn)略》實施進展情況進行了評估，總結(jié)了2012—2018年期間在推進技術(shù)研發(fā)、完善教育與培訓(xùn)體系、建立多類型的公私合作機制、優(yōu)化投資模式、提升公私投資強度和投資比例等方面取得的進展，肯定了在“美國制造”計劃框架下，14個制造創(chuàng)新研究所(Manufacturing innovation institute, MII)在促進技術(shù)發(fā)展、與中小企業(yè)合作、培訓(xùn)制造業(yè)勞動力等方面取得的成績。

2.3 《2022-戰(zhàn)略》報告

《2022-戰(zhàn)略》報告勾勒了當時和未來一段時期內(nèi)美國引領(lǐng)先進制造業(yè)的七大愿景，即發(fā)展經(jīng)濟、創(chuàng)造高質(zhì)量的就業(yè)崗位、增強環(huán)境可持續(xù)性、應(yīng)對氣候變化、加強供應(yīng)鏈、確保國家安全和改善醫(yī)療保健。為實現(xiàn)上述愿景，制定了開發(fā)和實施先進制造技術(shù)、壯大先進制造業(yè)勞動力隊伍和提升制造業(yè)供應(yīng)鏈韌性等三個相互關(guān)聯(lián)的目標。確定了11項具體任務(wù)和37項技術(shù)和計劃建議。11項具體任務(wù)包括：(1)實現(xiàn)清潔和可持續(xù)制造，支持脫碳；(2)加快微電子學(xué)和半導(dǎo)體制造業(yè)創(chuàng)新速度；(3)實施先進制造技術(shù)，以支持生物經(jīng)濟，促進生物制造研究；(4)開發(fā)創(chuàng)新材料和加工技術(shù)；(5)引領(lǐng)智能制造未來；(6)擴大和豐富先進制造業(yè)人才庫；(7)發(fā)展、擴大和促進先進制造業(yè)教育和培訓(xùn)；(8)強化雇主與教育機構(gòu)之間的聯(lián)系；(9)加強供應(yīng)鏈互聯(lián)互通；(10)努力減少制造業(yè)供應(yīng)鏈的脆弱性，激發(fā)供應(yīng)鏈的敏捷性；(11)加強和振興先進制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)和支持先進制造技術(shù)從實驗室過渡到市場，建立和加強區(qū)域制造網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，通過2012-2022持續(xù)10年戰(zhàn)略規(guī)劃的推進，從根本層面上，提升了美國制造業(yè)競爭力。因世界形勢和內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生變化，三份戰(zhàn)略報告盡管側(cè)重點有所不同，但始終圍繞確保美國先進制造技術(shù)在全球的領(lǐng)先地位這一總目標，并將開發(fā)和實施先進制造技術(shù)作為戰(zhàn)略規(guī)劃的優(yōu)先任務(wù)，不斷推進機器人、增材制造等技術(shù)的應(yīng)用，從而實現(xiàn)美國制造業(yè)從傳統(tǒng)制造向先進制造的轉(zhuǎn)型。

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先進制造的基本概念

3.1 什么是先進制造

關(guān)于什么是先進制造，美國政府部門的報告先后給出了不同的詮釋。2011年的《美國的創(chuàng)新戰(zhàn)略—確保我們的經(jīng)濟增長和繁榮》報告將先進制造定義為：以新技術(shù)的形式把大量的智力資本投入制造過程，形成較低的成本、快速的定制、減少浪費和提高質(zhì)量的結(jié)合。2012年的《捕捉國內(nèi)先進制造業(yè)競爭優(yōu)勢的總統(tǒng)報告》提出，先進制造并不局限于新興技術(shù)，還包括在一系列領(lǐng)域有全球競爭力的美國制造商和供應(yīng)商的高效率、高集成、緊密控制的流程。在《2018-戰(zhàn)略》報告中，先進制造是指一系列的活動。這些活動依賴于信息、自動化、計算、軟件、傳感和網(wǎng)絡(luò)的使用和協(xié)調(diào)，以及/或利用由物理和生物科學(xué)，如納米技術(shù)、化學(xué)和生物學(xué)，支持的前沿材料和新興能力。既包括用新方法制造現(xiàn)有產(chǎn)品，也包括用新涌現(xiàn)的先進技術(shù)制造新產(chǎn)品。在《2022-戰(zhàn)略》報告中，先進制造業(yè)被定義為“對現(xiàn)有產(chǎn)品制造方法的改進創(chuàng)新，以及利用先進技術(shù)生產(chǎn)新產(chǎn)品，包括依賴于信息、自動化、計算、軟件、傳感和網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)活動“。這些顯然都是故意模糊的定義。因為一個領(lǐng)域的先進制造不同于另一個領(lǐng)域的先進制造，這意味著沒有真正的方法來確定這個概念。例如，美國食品與藥品管理局認為，制藥業(yè)的先進制造意味著使用創(chuàng)新技術(shù)來創(chuàng)造現(xiàn)有和新產(chǎn)品，是新的醫(yī)療產(chǎn)品制造技術(shù)的統(tǒng)稱。

美國在2020年10月和2022年2月發(fā)布的《關(guān)鍵和新興技術(shù)國家戰(zhàn)略》和更新后的《關(guān)鍵和新興技術(shù)清單》，均將先進制造列為“關(guān)鍵和新興技術(shù)”之一。

3.2 什么是先進制造技術(shù)

美國是首先提出“先進制造技術(shù)”(Advanced manufacturing technology, AMT)這一概念的國家。雖然先進制造技術(shù)迄今也沒有一致公認的定義，但從廣義上可以認為先進制造技術(shù)是在傳統(tǒng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上吸收了機械、電子、材料、能源、信息和現(xiàn)代管理等多學(xué)科、多專業(yè)的高新技術(shù)成果，將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品全生命周期中，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，是一項能夠在動態(tài)、多變的市場中提高制造技術(shù)適應(yīng)能力和競爭能力的總稱。1993年，美國政府批準了由聯(lián)邦科學(xué)、工程與技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(Federal Coordinating Council for Science, Engineering, and Technology, FCCSET)主持實施的AMT計劃。1994年，F(xiàn)CCSET下屬的工業(yè)和技術(shù)委員會先進制造技術(shù)工作組組織專家進行了有關(guān)先進制造技術(shù)分類目錄的編制工作，這是對先進制造技術(shù)內(nèi)涵的首次較系統(tǒng)的說明。根據(jù)這份目錄，先進制造技術(shù)由主體技術(shù)群、支持技術(shù)群和制造基礎(chǔ)設(shè)施三個部分組成。具體的技術(shù)又可分為兩大類：一是數(shù)字化設(shè)計、制造、管理和系統(tǒng)集成技術(shù)；二是制造工藝技術(shù)，包括精密超精密加工技術(shù)、精密成形技術(shù)、先進焊接技術(shù)、表面工程技術(shù)、特種加工技術(shù)等。

3.3 先進制造與傳統(tǒng)制造的特征差異

傳統(tǒng)制造被認為是獲取原材料并創(chuàng)造出附加值的產(chǎn)品。表1展示了傳統(tǒng)制造與先進制造的特征差異。這仍然高度依賴于應(yīng)用場景、行業(yè)類型和公司具體情況。然而，提高勞動技能、定制化、創(chuàng)新和高科技生產(chǎn)系統(tǒng)的共性表明，先進制造利用了最新的想法，根據(jù)客戶需求量身定制，并隨著新技術(shù)進步不斷發(fā)展。

總之，先進制造是將機械與AI、IoT和增強現(xiàn)實(Augmented reality, AR)等數(shù)字和“云計算技術(shù)”相結(jié)合，快速調(diào)整生產(chǎn)流程以適應(yīng)不斷變化的供應(yīng)需求。先進制造技術(shù)不是一項技術(shù)，而是一項技術(shù)體系的創(chuàng)新和整合，需長時間、巨額、高風險的投入，既需要國家層面的戰(zhàn)略規(guī)劃，更需要政府主導(dǎo)的項目支持和相關(guān)機構(gòu)的落地實施。

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美國先進制造計劃/項目概述

從早期的基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)到應(yīng)用推廣，美國先進制造國家戰(zhàn)略均是通過諸如國家科學(xué)基金會(National Science Foundation, NSF)、商務(wù)部(Department of Commerce, DoC)、國防部(Department of Defense, DoD)、能源部(Department of Energy, DoE)等與先進制造相關(guān)的跨部門協(xié)作計劃/項目進行具體實施。這些計劃/項目包括：NSF先進制造和制造系統(tǒng)集成計劃(Manufacturing systems integration, MSI)、未來制造計劃(Future manufacturing, FM)，霍林斯制造擴展伙伴關(guān)系計劃(The Hollings Manufacturing Extension Partnership, MEP)，制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)計劃(National network for manufacturing innovation, NNMI)，增材制造推進計劃(Additive manufacturing forward, AM Forward)，DoD制造技術(shù)計劃(Manufacturing technology, ManTech)，先進制造技術(shù)聯(lián)盟計劃(Advanced Manufacturing Technology Consortia, AM Tech)，NIST先進制造技術(shù)路線圖計劃(Advanced manufacturing technology roadmap program, MFG Tech)，等。

4.1 NSF先進制造和制造系統(tǒng)集成計劃

從2010年開始，NSF在其工程學(xué)部土木、機械和制造創(chuàng)新科學(xué)處(Civil, Mechanical and Manufacturing Innovation, CMMI)設(shè)立“先進制造計劃”，支持振興美國制造業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)研究。該計劃加速了制造技術(shù)的進步，重點是通過多學(xué)科研究，從根本上改變制造能力、方法和實踐。資助領(lǐng)域包括：制造系統(tǒng)、材料加工、制造裝備、方法論以及跨尺度制造等。鼓勵在網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)、制造機器和裝備、材料工程及納米制造等領(lǐng)域開展交叉研究。同時，資助美國制造研究所開展創(chuàng)新性的基礎(chǔ)研 究。

制造系統(tǒng)集成計劃支持面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來的機遇和挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)研究，強調(diào)在全生命周期生態(tài)系統(tǒng)中設(shè)計和制造的數(shù)字集成。連接、自動化和安全協(xié)作是數(shù)字環(huán)境不可或缺的領(lǐng)域，在價值創(chuàng)造過程中支持制造產(chǎn)品創(chuàng)新、系統(tǒng)實現(xiàn)和維護。重點資助方向包括：用于制造系統(tǒng)(機器和/或人)集成和協(xié)作的數(shù)字表達、協(xié)議和/或過程；智能自組織生產(chǎn)系統(tǒng)；技術(shù)、機器和人的易用性、互操作性和無縫集成；面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)；跨平臺兼容和可用的數(shù)據(jù)集；制造價值鏈內(nèi)部和整個價值鏈的可靠和安全通信；跨時間和空間的分布式制造系統(tǒng)集成，包括整合傳統(tǒng)和領(lǐng)先的設(shè)備和技術(shù)；評估數(shù)字環(huán)境中整個生命周期外部性的影響和價值的方法。

4.2 NSF未來制造計劃

NSF從2020年開始實施FM計劃。這是一個跨部門、跨領(lǐng)域的交叉計劃，其目標是支持未來從事基礎(chǔ)研究和教育的科技人員，研究面向未來幾十年、處于技術(shù)成熟度最低端、能夠消除限制當前制造業(yè)發(fā)展的科學(xué)、技術(shù)、教育、經(jīng)濟和社會障礙，催生目前尚不存在的新的制造能力，以及通過減少制造業(yè)對環(huán)境的影響，增強美國在制造業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。與此同時，F(xiàn)M計劃使新的制造業(yè)能夠應(yīng)對氣候變化、全球流行病和健康差距、社會和經(jīng)濟鴻溝、邊緣化人口和社區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施不足以及環(huán)境可持續(xù)性等緊迫的社會挑戰(zhàn)，將需要在可持續(xù)合成和生產(chǎn)新材料、化學(xué)品、量子和半導(dǎo)體裝置、綜合系統(tǒng)以及質(zhì)量有保證、產(chǎn)量高、成本合理的部件和系統(tǒng)的技術(shù)方面取得重大進展，需要AI和機器學(xué)習、新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)學(xué)和計算建模的新方法、新的動力學(xué)和控制方法、整合系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)和生物處理的新方法，以及影響經(jīng)濟、勞動力、人類行為和社會的新方法。

在2021財年預(yù)算報告中，NSF將FM定義為基礎(chǔ)研究，以實現(xiàn)目前不存在或不可能實現(xiàn)的制造，或以小的規(guī)模進行大規(guī)模生產(chǎn)。重點資助領(lǐng)域包括：(1)未來網(wǎng)絡(luò)制造，即計算、網(wǎng)絡(luò)、傳感、AI和制造的交叉研究，探索利用新型傳感器、執(zhí)行器、設(shè)備和系統(tǒng)融合的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的可用性，低延遲和可靠的安全傳感和通信，云和邊緣計算，數(shù)據(jù)分析，數(shù)學(xué)和計算建模，不確定性量化與風險分析，先進的控制，以人為本的自動化、遠程操作和人機交互，數(shù)字孿生，AI和機器學(xué)習提高了通用性和可靠性，降低了制造過程和系統(tǒng)控制成本。機器學(xué)習和預(yù)測分析、自主性、無線通信、信息物理系統(tǒng)、IoT以及先進的計算系統(tǒng)和服務(wù)的最新進展，為重新思考、重新概念化、重塑和探索制造業(yè)的新可能性提供了強大的動力；(2)未來生態(tài)制造，將使整體制造過程涵蓋整個制造生命周期，并考慮到能源消耗、健康和環(huán)境影響以及成本效益，盡可能長時間地保持資源的使用，在使用中提取其最大價值，并在使用壽命結(jié)束時回收材料；(3)未來生物制造，基于生物的生產(chǎn)和技術(shù)，將使基于生物的治療細胞和分子、化學(xué)品、藥品、材料、聚合物和燃料的生產(chǎn)，以及用于計算、信號處理和通信的基于生物的技術(shù)成為可能，揭示和利用基本的生物學(xué)原理來解決生物制造中的規(guī)模挑戰(zhàn)，縮短從實驗室到量產(chǎn)的研發(fā)周期；(4)以人為本的自動化，即在自動化過程中優(yōu)先考慮人的需求、能力和偏好，以及人與機器之間的優(yōu)勢和局限性，創(chuàng)造一種和諧的人機協(xié)同關(guān)系，一個安全、高效、愉快的工作環(huán)境。

4.3 霍林斯制造擴展伙伴關(guān)系計劃

20世紀80年代，隨著日本成為全球高科技產(chǎn)品制造中心，美國意識到公共資源不僅應(yīng)該關(guān)注基礎(chǔ)科研活動，也要關(guān)注任務(wù)導(dǎo)向的科研活動，即聯(lián)邦政府可以對產(chǎn)業(yè)推廣項目進行直接投資。1988年，在南卡羅來納州參議員弗里茨·霍林斯(Fritz Hollings)的提議和推動下，美國出臺了《綜合貿(mào)易與競爭法案》，正式提出聯(lián)邦機構(gòu)應(yīng)肩負起技術(shù)的商業(yè)推廣職責，并于1989年率先在南加州、俄亥俄州、紐約建立了三個區(qū)域制造業(yè)技術(shù)中心 ，支持制造技術(shù)的轉(zhuǎn)移，以提高中小制造企業(yè)的生產(chǎn)力和技術(shù)能力。1998年，該計劃被更名為霍林斯制造擴展伙伴關(guān)系(MEP)。

目前，該計劃由NIST負責管理，已在全美50個州及波多黎各建設(shè)了51個MEP中心。這些中心擁有約450個MEP服務(wù)站和1400多位值得信賴的顧問和專家，致力于推動聯(lián)邦技術(shù)成果在美國中小制造企業(yè)快速轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，提升中小制造企業(yè)競爭力，提供全面的、經(jīng)過驗證的解決方案、促進增長。據(jù)統(tǒng)計，2021年，MEP計劃幫助超過3.4萬家美國制造企業(yè)實現(xiàn)了144億美元的銷售、節(jié)省成本15億美元，完成52億美元的新投資，并創(chuàng)造和保留了125 746個就業(yè)崗位。

4.4 制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)計劃

NNMI是美國政府在2012年啟動的一個制造業(yè)創(chuàng)新計劃，旨在加強美國制造業(yè)的競爭力和創(chuàng)新能力。其目標是建立一個全國性的制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，為美國制造業(yè)提供更多的資源和支持，以應(yīng)對全球競爭的挑戰(zhàn)。該網(wǎng)絡(luò)包括DoC、DoD和DoE以及其他六個聯(lián)邦伙伴機構(gòu)(即NASA、NSF、衛(wèi)生與公共服務(wù)部、農(nóng)業(yè)部、教育部和勞工部)。NIST專門設(shè)立先進制造業(yè)國家項目辦公室(AMNPO)，負責協(xié)調(diào)NNMI計劃。NNMI由一系列的制造創(chuàng)新研究所(MII)組成，致力于推動制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)，促進企業(yè)之間的合作和信息共享，加速新技術(shù)的商業(yè)化和推廣。2019年有14家研究所，2020年又新增了兩所，使MII的數(shù)量增加到16所，如表2所示。其中，隸屬于DoC 1個、DoD 9個、DoE 6個。2021年，16家研究所與2300多個成員機構(gòu)合作，開展了700多個重大技術(shù)和勞動力應(yīng)用研發(fā)項目，培訓(xùn)了9萬多名先進制造業(yè)培訓(xùn)人員，州、工業(yè)界和聯(lián)邦基金為這些活動捐助了4.8億美元。NNMI將美國工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府聚集在一起，解決每個部門無法單獨解決的跨部門制造業(yè)挑戰(zhàn)，強調(diào)“創(chuàng)新技術(shù)的轉(zhuǎn)變能力”(重點是商業(yè)轉(zhuǎn)化，而不是技術(shù)創(chuàng)新)。正因如此，2016年9月NNMI被重新命名為更加鮮明的Manufacturing USA，16家研究所在Manufacturing USA?網(wǎng)絡(luò)下聯(lián)合起來形成了推動制造業(yè)創(chuàng)新的全國力量，完成共同的任務(wù)愿景，旨在通過技術(shù)、供應(yīng)鏈、教育和勞動力發(fā)展方面的大規(guī)模公私合作，彌合技術(shù)研發(fā)的早期階段和將技術(shù)推向市場的后期階段之間的差距，提升中小企業(yè)的技術(shù)競爭力，確保美國在先進制造業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。每一個研究所都是獨特技術(shù)的集中地，從整體上推動美國先進制造技術(shù)轉(zhuǎn)化。

4.5 增材制造推進計劃

為提高供應(yīng)鏈韌性，美國政府聯(lián)合幾家大型標志性美國公司于2022年5月推出了“增材制造推進”計劃，將通過提高美國中小型制造商的競爭力、創(chuàng)造和維持高薪制造業(yè)工作崗位，以及通過采用AM提高供應(yīng)鏈彈性來幫助美國家庭降低成本。這是繼2013年2月12日強調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性之后，時隔9年，美國政府再一次提出對AM技術(shù)應(yīng)用的支持計劃。該計劃旨在從政策層面鼓勵美國大型設(shè)備制造商(Original equipment manufacturer, OEM)支持中小型企業(yè)使用3D打印技術(shù)，幫助他們提升工業(yè)制造能力和解決供應(yīng)鏈問題。OEM明確承諾增加對3D打印零件的需求，同時為中小型企業(yè)提供人員培訓(xùn)、技術(shù)援助和參與標準制定的機會。

在AM Forward計劃的支持下，美國正在匯聚優(yōu)質(zhì)的科研、企業(yè)、公共部門資源，建立起以數(shù)據(jù)為基石、算法為競爭力的AM發(fā)展戰(zhàn)略。更重要的是，這種資源的匯聚是開放、跨國界的，美國在積極地發(fā)揮自身的影響力，從全球范圍內(nèi)吸引優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)新力量，賦能其本國的制造業(yè)振興計劃。

隨著AM Forward計劃的發(fā)布，美國材料與試驗協(xié)會(American Society for Testing and Materials, ASTM)國際AM卓越中心和創(chuàng)始行業(yè)成員宣布啟動材料數(shù)據(jù)和標準化聯(lián)盟(Consortium for Materials Data and Standardization, CMDS)計劃。ASTM CMDS的使命是將代表整個AM價值流的各行各業(yè)的關(guān)鍵組織聚集在一起，每年選擇感興趣的材料和特定應(yīng)用屬性(例如靜態(tài)、循環(huán)、熱、腐蝕)發(fā)布項目、執(zhí)行各種項目，最終支持標準和數(shù)據(jù)集的開發(fā)。研究成果將支撐ASTM相關(guān)委員會制定的新AM標準和規(guī)范，以推動整個行業(yè)創(chuàng)建具有屬性的和改進的材料規(guī)范和基于穩(wěn)健數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)要求。2022年8月，ASTM獲得NIST資助的30萬美元用于制定一個路線圖，包括AM、機器人和自動化、大數(shù)據(jù)分析和AI。此外，NIST還開展金屬基AM測量技術(shù)的研究。通過資助項目的研究，NIST正在促進行業(yè)解決采用AM的障礙，包括支持基于等效模型的測量科學(xué)、AM材料的表征以及支持一致數(shù)據(jù)交換/表征新標準，發(fā)揮美國在AM測量和國際標準方面主導(dǎo)作用，解決重要的技術(shù)挑戰(zhàn)，加速采用AM技術(shù)，贏得在本領(lǐng)域的全球競爭地位。

4.6 DoD制造技術(shù)計劃

ManTech是由美國陸軍、海軍、空軍、國防后勤局以及國防部長辦公室共同組織實施的一套組合項目，其目的是降低武器系統(tǒng)成本，縮短交付時間，增強系統(tǒng)性能，提高制造效率，降低金融和技術(shù)風險。該計劃持續(xù)實施50多年來，為提升美軍武器裝備性能和質(zhì)量以及經(jīng)濟可承受性、降低武器裝備采辦風險做出了巨大貢獻，代表了美國國防制造技術(shù)的重點發(fā)展方向。早在2003年，ManTech就開展了激光增材制造研究項目。近兩年，又開展了如薄壁換熱器驗證、發(fā)動機葉片鑄造型芯等應(yīng)用研究項目，為推動美國AM產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在最新戰(zhàn)略規(guī)劃中又新增“先進制造企業(yè)”重點領(lǐng)域，注重軍工企業(yè)整體能力提升。目前，重點研究領(lǐng)域包括：(1)金屬成形與制造，重點關(guān)注材料加工、鑄造、鍛造、連接技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用，以及智能加工、輕質(zhì)合金(如鈦合金粉末)加工等；(2)電子產(chǎn)品加工與制造，重點關(guān)注寬禁帶和碳化硅裝置、鋰電池、紅外傳感器/激光器、微型/柔性顯示器等的制造技術(shù)；(3)復(fù)合材料加工與制造，重點關(guān)注高溫構(gòu)件、輕量化構(gòu)件、艦船用復(fù)合材料構(gòu)件以及其他特殊用途復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)；(4)先進制造集成，重點關(guān)注能夠在產(chǎn)品/系統(tǒng)的全生命周期內(nèi)促進制造企業(yè)快速優(yōu)質(zhì)運作的技術(shù)、過程和實踐，如三維技術(shù)數(shù)據(jù)包、智能制造、供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)建模與集成、產(chǎn)品/過程數(shù)據(jù)的互操作性等技術(shù)。

4.7 先進制造技術(shù)聯(lián)盟計劃

產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟是提升一個國家全球競爭力的戰(zhàn)略工具。為響應(yīng)《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略2011》，NIST于2013年設(shè)立AM Tech。這是一項由聯(lián)邦政府財政支持的競爭性資助計劃，旨在建立新的或加強現(xiàn)有的行業(yè)驅(qū)動的聯(lián)盟，開發(fā)技術(shù)路線圖，以解決高優(yōu)先級的研究挑戰(zhàn)，發(fā)展美國先進制造業(yè)，提高美國的創(chuàng)新能力和國際競爭力，解決美國所謂的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中對經(jīng)濟有害的弱點。該計劃的目標是加速創(chuàng)新過程—從發(fā)現(xiàn)到發(fā)明再到開發(fā)新的制造工藝技術(shù)—從而創(chuàng)造高技能、高工資的制造業(yè)就業(yè)崗位。

AM Tech計劃共資助了35個聯(lián)盟，如表3所示。其中，2013年資助了19個聯(lián)盟、2014年資助了16個。聯(lián)盟資助領(lǐng)域囊括了新一代信息技術(shù)、高端裝備制造、生物、新能源、新材料等領(lǐng)域。

4.8 NIST先進制造技術(shù)路線圖計劃

為推動AM Tech計劃的具體實施，2021年6月17日，NIST宣布啟動一項新的競爭性資助計劃，即MFG Tech，重點開展國家關(guān)鍵利益領(lǐng)域的技術(shù)路線圖的制定，解決高優(yōu)先級研究挑戰(zhàn)，發(fā)展美國先進制造業(yè)。行業(yè)驅(qū)動的技術(shù)路線圖是所有資助項目的關(guān)鍵組成部分。每個先進制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟將吸引各種規(guī)模的制造商、大學(xué)研究人員、行業(yè)協(xié)會和其他利益相關(guān)者，確定并優(yōu)先考慮減少美國先進制造業(yè)增長共同障礙的研究項目。

獲資助的首批4個科研機構(gòu)分別為：(1)加州大學(xué)洛杉磯分校，將匯集微電子供應(yīng)鏈的領(lǐng)導(dǎo)者制定一個路線圖，以提高在集成單獨制造的組件和先進封裝技術(shù)方面的能力和競爭力；(2)北卡羅來納州達勒姆半導(dǎo)體研究公司，制定先進封裝技術(shù)和勞動力發(fā)展的整個價值鏈的路線圖，支持新興微電子應(yīng)用，加速美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位；(3)弗吉尼亞州迪克坦塔聯(lián)邦先進制造中心，通過識別整個擴展供應(yīng)鏈中數(shù)字線程技術(shù)的關(guān)鍵弱點和差距，提高美國制造業(yè)供應(yīng)鏈的韌性和能力；(4)普渡大學(xué)，擴大現(xiàn)有的先進凍干技術(shù)中心聯(lián)盟技術(shù)路線圖，包括新型凍干技術(shù)和新興類別穩(wěn)定藥物(治療)的應(yīng)用，促進制藥行業(yè)快速部署有效的藥物和疫苗。2022年5月12日，NIST宣布向6個州的7個科研機構(gòu)提供第二輪資金資助，包括：(1)愛迪生焊接研究所有限公司(俄亥俄州)，通過部署先進材料、大規(guī)模AM和其他技術(shù)來提高靈活性和能源效率，降低成本，加速橋梁、風塔、管道和船舶等大型結(jié)構(gòu)的制造；(2)休斯頓大學(xué)，確定與超導(dǎo)體和先進結(jié)構(gòu)材料等各種平臺技術(shù)相關(guān)的制造挑戰(zhàn)和技術(shù)障礙，加速未來碳中性機器和系統(tǒng)的商業(yè)化；(3)ASTM國際總部(賓夕法尼亞州)，指導(dǎo)建筑制造業(yè)采用先進技術(shù)，如AM、機器人、自動化和AI，以提高生產(chǎn)力、效率、靈活性和安全性；(4)凱斯西儲大學(xué)，在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)將AI和機器學(xué)習工具與傳統(tǒng)材料科學(xué)和制造工藝知識相結(jié)合，為先進材料的未來制造提供全面的方法。(5)SRI International(加利福尼亞州)，支持量子技術(shù)制造路線圖(Quantum Technology Manufacturing Roadmap, QTMR)，確定競爭前的開發(fā)和供應(yīng)鏈差距，保持美國在量子相關(guān)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位；(6)新罕布什爾大學(xué)，探索一種新的制造范式，以實現(xiàn)太空制造業(yè)的公平商業(yè)化、工業(yè)化和大眾化；(7)國際電子制造倡議公司(北卡羅來納州)，制定推進前沿5G和6G產(chǎn)品制造的路線圖，加速美國下一代無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

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先進制造技術(shù)展望

隨著AI、IoT、5G/6G和大數(shù)據(jù)的發(fā)展和應(yīng)用，制造業(yè)也將進入智能和萬物互聯(lián)時代，不同機構(gòu)均對未來先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。如美國波士頓咨詢公司BCG指出，以下五種技術(shù)在未來幾年最有可能影響制造業(yè)格局并提高生產(chǎn)率。一是自主機器人；二是集成計算材料工程；三是數(shù)字制造；四是IoT和柔性自動化；五是制造業(yè)中的AI，其最常用的技術(shù)和產(chǎn)品包括工業(yè)機器人、機器視覺、智能產(chǎn)品、機器學(xué)習和協(xié)作機器人等。德勤和競爭力委員會在其聯(lián)合發(fā)布的報告中指出，“預(yù)測分析”是推動其未來競爭力的最重要的先進制造技術(shù)，其他還包括數(shù)字設(shè)計、仿真和集成、高性能計算、開源設(shè)計/用戶直接輸入、高性能材料、先進機器人、增材制造、AR、智能互聯(lián)產(chǎn)品和智能工廠等其他改變?nèi)蛑圃鞓I(yè)的突出技術(shù)。NSTC先進制造小組委員會強調(diào)參與先進制造的聯(lián)邦機構(gòu)應(yīng)廣泛關(guān)注和大力支持的五大新興技術(shù)領(lǐng)域，他們是未來投資和擴大政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界合作的優(yōu)先選項，包括：(1)先進材料制造，每隔10年啟動與之相關(guān)的研究計劃，如2001年啟動的國家納米技術(shù)計劃，2011年啟動的材料基因組計劃和2021年啟動的納米制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)名計劃(Nanomanufacturing Signature Initiative, NSI)；(2)工程生物學(xué)與生物制造；(3)面向再生醫(yī)學(xué)的生物制造；(4)先進生物制品制造；(5)藥品的連續(xù)生產(chǎn)。NSF在其《2022-2026財年戰(zhàn)略規(guī)劃》報告中指出，隨著材料、技術(shù)和系統(tǒng)的突破，未來五年，研究改變制造能力、方法和實踐，重點資助先進制造與生物技術(shù)、合成生物學(xué)、可持續(xù)性、AI、機器人、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)和計算建模等領(lǐng)域的交叉研究。以下六方面的技術(shù)更應(yīng)引起關(guān)注，他們是未來制造的“硬核”技術(shù)。

5.1 智能制造與數(shù)字制造

人們普遍認為制造已是一個生態(tài)系統(tǒng)，其遠遠超越了工廠本身的概念。智能制造(Intelligent manufacturing, IM)源于20世紀90年代日本工業(yè)和國際貿(mào)易部發(fā)起組織的“智能制造系統(tǒng)(Intelligent manufacturing system, IMS)”國際合作研究計劃。“智能”則是描述企業(yè)在產(chǎn)品全生命周期中創(chuàng)建和使用數(shù)據(jù)/信息、實現(xiàn)柔性化的生產(chǎn)過程，以滿足低成本和環(huán)境保護等相應(yīng)要求。根據(jù)2022年6月DoE發(fā)布的《國家智能制造戰(zhàn)略規(guī)劃》，智慧制造(Smart manufacturing，SM)是指先進傳感、儀器、監(jiān)測、控制和工藝/過程優(yōu)化的技術(shù)和實踐的組合，它們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，實現(xiàn)工廠和企業(yè)中能量、生產(chǎn)率和成本的實時管理。智能制造不僅包括工廠本身，更關(guān)注環(huán)保和優(yōu)化生產(chǎn)率，降低能耗，是能應(yīng)對動態(tài)全球化市場的柔性制造和生態(tài)系統(tǒng)。

《2022-戰(zhàn)略》報告中明確表示“引領(lǐng)智能制造(SM)未來”，對發(fā)展SM提出了如下四點建議：一是數(shù)字制造，即使先進的傳感、控制技術(shù)和機器學(xué)習應(yīng)用于整個制造業(yè)，通過發(fā)展DT和制定數(shù)據(jù)兼容性標準推進智能制造，并實現(xiàn)無縫集成；二是制造業(yè)中的AI，即優(yōu)先考慮機器學(xué)習、數(shù)據(jù)訪問、保密性、加密和風險評估方面的研發(fā)，開發(fā)最佳實踐、標準和軟件工具，以擴展新的商業(yè)模式，使生產(chǎn)數(shù)據(jù)貨幣化，同時維護數(shù)據(jù)安全并尊重知識產(chǎn)權(quán)；三是采用以人為本的技術(shù)，即促進新技術(shù)和標準的發(fā)展，通過實現(xiàn)安全高效的人機交互，擴大人與機器之間的協(xié)作，從而增強人的能力，增強生產(chǎn)工人的能力；四是制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全，即制定標準、工具和試驗臺，發(fā)布、傳播在智能制造系統(tǒng)中實施網(wǎng)絡(luò)安全的指導(dǎo)方針，更換無法確保網(wǎng)絡(luò)安全的生產(chǎn) 設(shè)備。

從2020年起，美國制造工程師學(xué)會旗下的《Smart Manufacturing》雜志連續(xù)兩年評選全球最有影響力的20位智能制造領(lǐng)域的專家，并由該雜志特約編輯伊嵐?沃爾夫撰文逐一介紹其學(xué)術(shù)專長與成就。當前，包括AI/機器學(xué)習、AR/虛擬現(xiàn)實(VR)、自動化/機器人、AM/混合生產(chǎn)、大數(shù)據(jù)分析、云計算、數(shù)控加工、面向制造的設(shè)計、IoT/邊緣計算、仿真/DT已成為SM十個熱門技術(shù)。馬庫?羅維奧在“智慧制造：制造的未來是數(shù)字化”一文中指 出，工業(yè)4.0技術(shù)連接機器人、3D打印、云計算、AI和IoT，使SM成為可能，并以令人眼花繚亂的速度加速制造業(yè)創(chuàng)新。

數(shù)字制造(Digital manufacturing, DM)是與智能制造同時出現(xiàn)的另一個詞匯，是指在VR、計算機網(wǎng)絡(luò)、快速成型和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)支持下，以客戶需求為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、組織和重組，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計和功能仿真以及快速成型，進而滿足客戶需求和質(zhì)量標準的快速制造過程，是計算機系統(tǒng)在制造服務(wù)、供應(yīng)鏈、產(chǎn)品和流程中的應(yīng)用。DM亦稱之為數(shù)字化制造或制造業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型，強調(diào)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)升級傳統(tǒng)制造業(yè)，突出計算機技術(shù)應(yīng)用的特征。DM主要涉及三大領(lǐng)域，即產(chǎn)品生命周期、未來/智慧工廠和價值鏈管理。

數(shù)字制造技術(shù)將所有生產(chǎn)領(lǐng)域的系統(tǒng)和流程聯(lián)系起來，創(chuàng)建了從設(shè)計到生產(chǎn)再到最終產(chǎn)品服務(wù)的集成制造方法。

5.2 增材制造

AM通常被稱為3D打印，即通過連續(xù)沉積薄層材料，在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建三維物體。從美國在2013年國情咨文中提到3D打印、創(chuàng)建第一個NNMI創(chuàng)新機構(gòu)——國家增材制造研究所，到2018年將AM技術(shù)列為關(guān)鍵出口管制清單，再到更新后的《2022-戰(zhàn)略》對AM最詳實的敘述，說明美國發(fā)展AM技術(shù)的決心和投資支持AM技術(shù)的意志，推動了AM技術(shù)走向更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括采用AM直接打印電子和獨特的傳感器結(jié)構(gòu)、有望在未來直接培育出人體組織和器官的生物細胞3D打印、可以為航空航天領(lǐng)域帶來可觀的重量減輕和性能提升的單片高性能金屬零件的AM等。

2021年1月，DoD發(fā)布了首份《國防部增材制造戰(zhàn)略》報告，明確了AM的內(nèi)涵以及對國防戰(zhàn)略改革的重要意義，為AM這一改變游戲規(guī)則的前沿技術(shù)在國防部范圍內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用構(gòu)建了共同的愿景。NIST于2022年9月正式出版了《美國在高附加值增材制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)戰(zhàn)略》報告，對發(fā)展可能影響個人和公共安全，或?qū)е律钸h的經(jīng)濟影響的零件級增材制造，從提高質(zhì)量、降低成本和工藝在高附加值的應(yīng)用角度，明確了未來研發(fā)的6大關(guān)鍵領(lǐng)域：(1)明確的要求；(2)經(jīng)過驗證的性能建模和分析能力；(3)特性良好的材料和為增材制造設(shè)計的材料；(4)已知測量不確定度的現(xiàn)場過程監(jiān)測和控制；(5)量身定制的后處理和無損評估；(6)安全的、注冊的、可互操作的數(shù)據(jù)。

《2022-戰(zhàn)略》報告從以下六個方面提出了實施AM的具體路徑：(1)納米增材制造在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的作用；(2)AM在醫(yī)療藥品領(lǐng)域的作用，集成AI系統(tǒng)等技術(shù)提高AM針對患者提供的解決方案；(3)AM過程優(yōu)化發(fā)展框架的重要性，包括開發(fā)用于提升過程監(jiān)測能力的感應(yīng)器和其他控制措施、開發(fā)用于提升質(zhì)量控制水平的AI算法、開發(fā)用于AM的材料，以及將AM集成到智能制造平臺；(4)AM的柔性特征，可有效解決例如航空航天、國防等制造領(lǐng)域所遇到的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)；(5)公立與私營企業(yè)合作的重要性，以及中、高等教育對AM的推動作用；(6)AM對人類可持續(xù)發(fā)展的重要性。

5.3 混合制造

混合制造是指同時利用3D打印操作(增材制造)和更常見的銑削/車削操作(減材制造)的加工工藝，在一個由多功能/多任務(wù)數(shù)控機床和增材制造模塊組成的混合制造平臺上進行，并具有自動3D掃描和尺寸控制能力。它充分利用減材制造成形尺寸精度高和表面質(zhì)量好的優(yōu)勢，彌補AM工藝精度低的新型復(fù)合加工方法，具備“打印”復(fù)雜形狀的同時，還具有減材制造的精度和表面粗糙度，能快速制造出不同材料的高精度、高質(zhì)量的復(fù)雜形狀零件，特別有利于復(fù)雜形狀、多品種、小批量零件的生產(chǎn)，以及通過激光修復(fù)技術(shù)提升零部件的再制造能力，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，有望替代CNC機床。

5.4 變形制造

變形制造又稱機器人鍛造，是利用傳感器、熱控制、制動成形、機器人操作系統(tǒng)和計算系統(tǒng)精確鍛造金屬物件，將金屬鐵匠的增量變形與智能機器和機器人系統(tǒng)的精度和控制相結(jié)合，模擬了人類鐵匠的技能和創(chuàng)造力，旨在將鐵匠的古老技能與數(shù)字時代的機器人技術(shù)結(jié)合起來，使得金屬件反復(fù)漸進地在壓力機上準確定位并成形零件，如圖1所示。這項技術(shù)的倡導(dǎo)者——俄亥俄州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授格倫·達芙恩將其視作繼計算機數(shù)控(CNC)及3D打印之后的“第三次數(shù)字制造浪潮”，將成為下一代數(shù)字制造技術(shù)。機器人鍛造打破了數(shù)控加工和AM的一些局限性，將鐵匠的熱機械變形與智能機器系統(tǒng)的高精度控制系統(tǒng)相結(jié)合。與數(shù)控加工相比，變形制造的成形技術(shù)可減少加工時的材料損失；與AM相比，變形制造的鍛造技術(shù)可以利用類型更廣泛的金屬材料并優(yōu)化金屬的性能；此外，由于采用了開式模鍛，也可用機器鍛造系統(tǒng)代替閉式模鍛和相應(yīng)模具來生產(chǎn)較大的鍛造部件(如飛機艙壁)。

5.5 太空制造

太空制造(In Space Manufacturing, ISM)又稱“微重力制造”，是一種在地球大氣層外制造、組裝和/或集成貨物的過程，或是將原材料或可回收材料轉(zhuǎn)化為太空中的組件、產(chǎn)品或基礎(chǔ)設(shè)施。它是NASA“地外制造”計劃的重要組成部分，通常可分為3個高水平層次：一是面向空間管理系統(tǒng)，涉及與在軌建造有關(guān)的活動，這些活動將留在空間中使用；二個是面向地球的ISM，包括在微重力下制造性能更好的新材料和人體植入器官，并送回地球；三是月球、火星和小行星表面的ISM(即原位資源利用)。ISM的技術(shù)方法包括：增材制造、太空裝配、無容器處理、凝固、回收和超薄涂層等；可生產(chǎn)的產(chǎn)品包括：氟化物光纖的玻璃材料、人體器官/植入物、碳納米管、半導(dǎo)體、乳膠球、備件、建筑材料、太陽能電池/陣列、天基太陽能發(fā)電站、大型太空望遠鏡、粒子對撞機/加速器等。

隨著太空AM能力的不斷增強，通過在微重力環(huán)境中開發(fā)新的AM工藝，以建造替換零件和空間基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)機器人與太空AM工藝的集成，并進行深空探索。優(yōu)先考慮微重力條件的太空生物制造，實現(xiàn)太空可持續(xù)的食品生產(chǎn)和回收。進一步提高太空任務(wù)能力舉措還包括用于打印電子設(shè)備和傳感器的微重力AM技術(shù)、用于更換和維修的金屬部件，以及用于基礎(chǔ)設(shè)施的月球風化層3D打印技術(shù)。

5.6 量子制造

基于量子計算、傳感和通信的強大潛力已經(jīng)在初始功能的量子系統(tǒng)中得到了證明，這些系統(tǒng)可以達到傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(xiàn)的應(yīng)用和解決方案。然而，量子系統(tǒng)尤其是量子計算機非常復(fù)雜，通常需要極端的操作條件，這會影響產(chǎn)品的設(shè)計、穩(wěn)定性和成本。需要創(chuàng)新的方法來制造包含量子系統(tǒng)的量子器件，以滿足在低于1 K溫度下潛在操作的苛刻要求，以及器件制造和異構(gòu)集成的極端精度。

量子制造作為NSF探索性研究早期概念資助項目，在其2022年申請指南中鼓勵開展如下研 究：(1)在金剛石和其他材料的所有三個維度中控制引入特定缺陷，與它們的目標功能性能保持一致；(2)低溫下無缺陷介質(zhì)和低損耗超導(dǎo)薄膜的沉積；(3) 源自過程相關(guān)源的自旋量子位的退相干源；(4)大面積、高通量表征量子材料和器件的新方法；(5)通過技術(shù)探索新材料平臺及其制造，如外延生長使保護和使用固體環(huán)境中的量子相干性途徑成為可能；(6)實現(xiàn)量子和傳統(tǒng)電子的3D集成的關(guān)鍵工藝，如高縱橫比通孔和倒裝凸塊芯片鍵合工藝；(7)量子器件與光子學(xué)的混合集成用于量子信息的分布；(8)在真空環(huán)境中集成量子、光子和電子功能的新包裝方法；(9)適用于量子計算機、傳感器和系統(tǒng)的自動可擴展制造設(shè)備的方法。

6

結(jié)論

(1) 為振興制造業(yè)，美國從2012年-2022年持續(xù)從國會立法、行政指令、政策規(guī)劃、資金支持等方面制定了較為切實可行的行動方案，出臺了一系列的政策措施，形成了“一攬子”解決方案，鼓勵創(chuàng)新成果在美國中小企業(yè)落地轉(zhuǎn)化。

(2) 先進制造技術(shù)是推動制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本保證。面對人類的生命健康和糧食短缺，以及地球資源匱乏和環(huán)境惡化等挑戰(zhàn)，大力發(fā)展智能制造、生物制造、增材制造、太空制造、量子制造等前沿領(lǐng)域和方向，并開發(fā)復(fù)合制造新模式。

(3) 數(shù)字化轉(zhuǎn)型是振興制造業(yè)的必由路徑之一。基于AR、IoT、AI的制造將是未來先進制造技術(shù)的重要方向。同時，應(yīng)重點關(guān)注面向多材料的增材制造、機器人和自動化技術(shù)。

作　　者：王國彪

責任編輯：趙子祎

責任校對：向映姣

審　　核：張　強

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