第7章-现代制造技术与新型制造业的发展趋势

现代制造技术2010年9月电子课件第七章现代制造技术与新型制造业的发展趋势7.1现代制造技术的发展趋势7.2新型制造业的发展趋势7.1现代制造技术的发展趋势1.全球化世界经济一体化和市场全球化决定了制造业的全球化发展趋势，包括制造市场、制造企业和制造资源的全球化。未来制造产品的竞争力主要取决于六大因素：绿色度、成本、质量、服务、及时性与个性化（G-C-Q-T-S-P），产品的绿色度将上升为首要因素。拥有上述综合优势的产品必将冲破国界、占领市场，其制造企业也可成为跨国企业。这是国际跨国公司的发展史，也将是中国企业成为跨国企业的必由之路。7.1现代制造技术的发展趋势2.知识化计算机芯片、精密仪器、飞机、轿车等高知识含量的产品，因其科技水平高、市场价格高、利润丰厚而成为制造业竞争的高地。中国要想在这些高知识含量的产品竞争中占有一席之地，就必须在这些高技术领域大力开展基础性研究，创造更多的拥有自主知识产权的高知识含量的产品。7.1现代制造技术的发展趋势3.信息化信息化是数字化、智能化和网络化制造的总称。它包含机电产品设计及其生产过程的数字化、智能化和网络化的高度集成。智能数字网络多功能集成产品将会越来越多、越来越普遍，而且更新换代会越来越快。7.1现代制造技术的发展趋势4.绿色化绿色化即基于资源节约和环境友好的绿色可持续性制造，是一项战略性的制造理念，也是一种制造模式和制造技术。绿色可持续制造包含无污染无废弃物制造、绿色产品的设计与制造、废旧机电产品的再制造、节能节材制造以及新能源装备制造五个方面。耗能耗材多、污染环境的机电产品和生产过程将会受到市场和法规的制约而逐渐消失或消亡。相反，新能源、节能节材和无污染的机电产品及其生产过程将得到更大发展。同时，由于废弃产品的剧增，再制造业将得到迅速发展。7.1现代制造技术的发展趋势

5.极端化指极大或极小几何尺度或极端环境下服役的机电产品的制造。由于人类认识和改造世界的欲望及能力的提高，例如观察宇宙星球需要超大超远望远镜、征服太空需要制造更大更快的宇宙飞船、制造大飞机需要大型制造装备；交通、水利水电、矿业、深海工程等需要制造更大更先进的机械装备。另一方面，物理学家观察微观粒子需要超大超高倍显微镜、下一代计算机集成电路的发展要求寻找新的纳米制造方法、机电产品的微型化发展要求制造出更微小的结构及零件。7.1.1高速高效加工领域发展趋势随着工具材料、驱动、控制和机床等技术的不断进步，高速高效加工不仅获得普遍应用，并且向着超高速方向发展。现代高速加工中心替代柔性自动线已经成为明显的发展趋势。复合加工在一次安装中能完成车、铣、钻、攻丝甚至磨削等不同的工序，高速高效复合加工机床在多品种、单件生产场合将有广阔的应用前景。汽车制造业是全球机床消费的最大用户，2007年占机床消费总量的42.78%。汽车制造业未来所需的加工技术如图7-1所示。7.1.1高速高效加工领域发展趋势7.1.1高速高效加工领域发展趋势汽车生产系统从20世纪70年代的机床专机流水线发展到2010年由高速加工中心组成的可变（可重构）加工线，能够生产不同品种和不同数量的产品。在可以预见的未来，预计汽车动力系统零部件加工技术的发展趋势将是高速度、高效率和超高精度。分析汽车制造行业所用中型加工中心的高速化与高精化的发展历程，可以预见2015年、2025年的国内、外的性能指标对比数值（表7-1）。7.1.1高速高效加工领域发展趋势7.1.2超精密加工领域发展趋势

超精密加工技术的总的发展趋势是：①大型化、微小型化、数控化、智能化的加工装备；②复合化、无损伤加工工艺；③超精密、高效率、低成本批量加工；④在生产车间大量应用的高精度、低成本检测装置。超精密加工技术未来的发展趋势如表7-2所示。7.1.2超精密加工领域发展趋势7.1.3微纳制造领域发展趋势

1.微纳设计技术随着微纳米技术的深入发展，MEMS在功能上向集成化方向扩展，更加追求与IC技术的集成与融合。在应用领域，由惯性器件逐渐向光、射频、流体、生物等器件发展，特别是随着尺寸的缩小和功能集成度的增加，MEMS在BIO-CHEMICAL领域的优势越来越明显，逐渐在国际上形成了MEMS的主流，应用前景广阔。7.1.3微纳制造领域发展趋势

2.微纳加工技术1）硅与非硅材料混合集成加工技术目前有很多问题尚未得到解决，主要是非硅微加工技术中的LIGA/准LIGA技术、精密机械加工、电化学加工、激光加工等工艺与IC工艺不兼容。通过硅与非硅材料混合集成加工技术的研究和开发，将制备出含有金属、塑料、陶瓷或硅微结构，并与集成电路一体化的微传感器和执行器，到2020年将在信息、汽车、生物医药、传统产业改造等领域得到实际应用。

7.1.3微纳制造领域发展趋势2）微纳制造的集成度方面目前集成加工技术正由二维向准三维过渡，未来的三维集成加工技术将使系统的体积和重量减少一到两个数量级，提高互联效率及带宽，提高制造效率和可靠性。预计到2020年，三维多功能微系统集成加工技术将得到广泛应用。3）微机械加工技术微机械加工工艺技术可加工尺度越来越小，已发展到微米级尺度，未来有可能在若干加工领域加工尺度达到亚微米级；可达到的加工精度也越来越高。微机械加工技术与超精密加工技术融合，未来向着超精密微加工方向发展，可达到的表面质量越来越高。7.1.3微纳制造领域发展趋势4）纳米压印技术在非主流半导体生产工艺中，特别是陶瓷、高分子和玻璃等材料为基板生产器件时，纳米压印技术因其成本低、工艺简单和可靠性高而成为取代传统光刻工艺的良好选择。预计未来15年内，纳米压印技术将在主流半导体、纳机电系统等纳米制造中得到广泛应用。5）纳米结构的可控自组装技术未来可能在以下领域实现突破和应用：具有分子识别功能的新型非共价键中间分子体的设计、合成及纳米结构单元聚集体行为和自组织排列体系的构建上取得突破；实现以生物分子马达为基础的微纳机器人、功能材料的应用。在纳米结构模块化组装领域实现突破，特别是利用生命过程中已经存在的机理进行的生物分子纳米结构可控自组装在生物传感器、仿生、疾病诊断与治疗等领域取得进展。7.1.3微纳制造领域发展趋势6）原子级别分辨率纳米加工技术

2D纳米加工的分辨率将在2025年达到原子级，3D纳米加工的分辨率则在2035年或以后达到原子级，2D和3D纳米制造技术在全彩色精细电子能、超薄监视器、TB级存储单元、超高效汽车和小型燃料电池制造中有很好的应用前景。7.1.4特种加工技术领域发展趋势

1.激光加工领域激光加工领域的重点发展方向为：①激光加工基础理论：重点研究激光与材料的相互作用，尤其是强激光诱导的光声光力效应；②激光加工光的传输、变换、检测与控制理论及其关键技术；③激光三维微纳制造技术；④面向节能减排的激光先进制造技术。7.1.4特种加工技术领域发展趋势

2.磨粒射流加工领域其重点发展方向是：①硬脆材料复杂曲面零件的高效磨料水射流加工基础理论及方法；②精密微细磨料水（气）射流加工基础理论及方法；③精密微细磨料射流复合加工基础理论及方法；④高端射流加工装备基础技术；⑤磨料射流加工废料回收和再利用技术。7.1.4特种加工技术领域发展趋势

3.聚焦离子束加工领域聚焦离子束加工技术的重点发展方向：①聚焦离子束加工基础理论研究；②精密稳定的聚焦离子束加工母机开发；③提高聚焦离子束的加工面积和速度；④离子束加工的无环境污染或低环境污染的绿色加工；⑤聚焦离子束微纳加工技术的应用领域拓展。7.1.4特种加工技术领域发展趋势

4.电加工技术领域电加工技术的重点发展方向是：①深入揭示电加工过程机理，在机床装备关键技术方面不断突破；②在微细电加工机理、过程控制、电源形式、工作液循环系统、电极制备等方面要持续开展研究；③绿色电加工技术；④新型复合电加工技术。7.1.4特种加工技术领域发展趋势

5.超声波加工领域超声波加工技术领域的重点发展方向是：①超声换能器的研发、设计和生产，未来超声换能器向大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化方向发展；②超声振动辅助微细孔加工技术及其设备；③超精密超声振动研磨加工技术及其设备；④超声椭圆振动车削技术及其设备；⑤超声辅助气质电火花铣削加工技术及其设备；⑥超声复合加工技术及其设备；⑦旋转超声加工方法及其设备。7.1.5未来制造系统的发展趋势未来制造系统在5～20年，其发展趋势也将是“精确化”、“服务化”、“绿色化”，发展过程如图7-2所示。

7.1.5未来制造系统的发展趋势

1.制造系统工程的新理论未来越来越复杂的制造系统亟需有效的分析工具，但目前已有的分析工具在理论和实践方面有着巨大的差距，新的理论，诸如无尺度网格、误差流等方法展现出一定的发展潜力。其中误差流控制的主要发展趋势包括：提高设计阶段“首次正确率”控制误差流；通过误差源的诊断控制误差流；充分利用多工序间复杂的相关性控制误差流。7.1.5未来制造系统的发展趋势2.制造智能具体发展趋势包括以下几个方面：1）智能计算随着基于智能技术的数字化制造过程研究的深入，必然会进一步与生产实践相结合，向着系统化、集成化、规范化、智能化和实用化方向发展。2）先进生产计划和调度①生产网格结构化；②生产模型网络化；③智能算法专业化；④仿真技术的使用。7.1.5未来制造系统的发展趋势

3）计划执行与生产控制①生产系统定制化；②看板系统动态化；③瓶颈资源动态排程。4）质量控制质量控制的焦点从过程的输出（产品/服务等）转向对过程本身的控制。5）可靠性与设备性能维护①维护工程系统化；②设备维护行业化；③设备维护流程化；④设备维护信息化；⑤设备维护智能化。7.1.5未来制造系统的发展趋势3.数字化制造具体发展趋势有：1）传感网络研究发展趋势传感网络基础理论与关键方法研究、高效的无线传感器网络结构、面向数字化制造的智能传感网络。2）数字化制造过程建模发展趋势

多场耦合下的切削加工过程建模、制造过程复杂性建模与分析、自适应过程建模新方法、多学科建模与仿真平台开发。7.1.5未来制造系统的发展趋势

3）MES系统在现代信息技术、控制技术、制造技术以及管理技术等的推动下，正在向标准化、集成化、敏捷化、智能化、可视化、专业化等方向发展。4）系统集成技术

PLM作为系统集成技术的主流技术，今后的发展重点包括：企业基础信息框架、统一产品模型、单一数据源、基于WEB的产品入口，以及PLM标准与规范体系。

7.1.5未来制造系统的发展趋势

5）E制造与电子商务领域各类信息的集成与本地化处理；先进的预测检测方法和技术；各种非接触式的信息技术如无线信息技术、无线传感技术、可视化系统等；无线通信和网络结构技术；确定和发展新的通信协议标准；先进的远程智能维护与智能诊断系统、质量信息跟踪技术。

4.新兴制造模式其中绿色制造、服务型生产等将是今后发展的趋势。作为正在发生的生产方式变革，迫切需要对服务型制造的基础理论进行探索，主要包括：服务型制造系统与复杂网格分析；服务型制造质量与主动健康维护；普适计算环境下的工作研究。7.2新型制造业的发展趋势7.2.1新型制造业的内涵和外延

所谓新型制造业是指依靠科技创新、降低能源消耗、减少环境污染、增加就业、提高经济效益、提升竞争能力、能够实现可持续发展的制造业。新型制造业的发展必须符合和谐社会建设的需要，应当是资源、环境、经济与科技和谐发展的制造业；新型制造业是建设创新型国家的核心产业，必须强化自主创新能力，依靠科技创新的支撑和引领；新型制造业是社会主义新农村建设的重要载体和推动力量，是全面提升农民生活水平和幸福指数的客观基础。7.2.1新型制造业的内涵和外延1.新型制造业坚持科学发展新型制造业强调科学发展：①新型制造业强调以人为本，关注制造业发展过程中参与者的利益，重视经济与社会的同步发展，重视人的全面发展。②新型制造业强调环境友好，重视减少资源消耗和环境污染，注重提高产业和产品的科技含量，注重发挥人力资源优势，倡导资源节约型的可持续发展的制造业发展道路。③新型制造业强调创新能力，评价制造业发展的水平和程度，必须充分考虑经济创新能力、科技创新能力和能源消耗及环境影响程度（即注重可持续发展），④新型制造业强调面向未来，要求正确处理好制造业发展当前与长远的关系，按照科学发展观的要求，从前瞻性、战略性和全局性的角度放眼未来，稳步推进中国制造业的持续发展。⑤新型制造业强调通过科技创新支撑和引领中国制造业的发展。7.2.1新型制造业的内涵和外延2.新型制造业强化自主创新新型制造业的发展必须依靠科技创新来支撑和引领：①制造业的发展逐步转变到以知识创新和技术创新为基础的轨道上来，改变以往那种主要依靠资本、劳动力和物质资源的投入来带动的制造业增长方式。②新型制造强调通过科技创新提高制造业的水平和促进产品的更新换代，通过科技创新提高资源和能源的利用效率与效益，进而提高经济效益。③新型制造业倡导由要素驱动向创新驱动发展转变，强调发挥知识和技术创新的优势促进产业发展。④新型制造业重视资源节约和环境友好，钢铁、汽车、石化产业和纺织业等传统制造业，面对日益激烈的竞争态势必须运用科技创新成果改造传统工艺、设备、技术和方法，不断提升经济效益，走新型制造业发展道路。7.2.1新型制造业的内涵和外延3.新型制造业创造新的商业文化随着技术革命和全球经济一体化进程加快，新型制造业必将培育和形成具有鲜明时代特征的新型商业文化：1）开放型文化发展新型制造业，必然要求重视发展商业文化，而商业文化由于行业特点决定它注重开放性，不仅国内市场统一开放，地球村也将不是梦想，统一开放的国际市场的形成只是时间问题。7.2.1新型制造业的内涵和外延

2）创新型文化新型制造业的发展，离不开创新社会意识的孕育和形成，离不开创新理念的发展和壮大，主要是由于产业发展必须适应市场的激烈竞争。高度重视知识经济条件下科技创新、管理创新、组织创新等社会各方面的创新的作用和意义，以创新求生存，以创新谋求发展，已经成为个人、企业、产业、社会良性发展的根本动力。3）契约型文化新型制造业强调在法律的框架下开展一切商业活动，通过签订契约保护商业关系当事人的权利，减少商业往来的风险，确保商业关系能够长期顺利地开展下去，从而为整个新型制造业的发展保驾护航。7.2.1新型制造业的内涵和外延

4）平等型文化从某种意义上来说，平等型文化是从契约型商业文化中派生出来的，因为从本质上来说契约签订的前提条件是双方的法律地位平等，区别于传统的农耕文化中注重权威、等级观念森严的内在特征。此外，网络化、信息化的冲击和发展，新型制造业产品的生产、销售、售后服务、消费、分配强调平等交易，注重利益相关者之间的合作共赢，这也将极有力地推动社会平等型文化的发展。7.2.2新型制造业的发展理念1.以人为本以人为本是在对片面追求经济增长所付出巨大代价反思的基础上发展起来的，重视现代社会发展中人的主体地位。新型制造业讲究以人为本，就是要以人的生存权、工作权、发展权、享受权为本，要使新型制造业发展过程中的参与者都能享受到发展所带来的利益，就是要实现经济与社会的同步发展，实现人的全面发展。7.2.2新型制造业的发展理念

（1）新型制造业重视人的生存权，既注重经济价值的创造，又重视科技创新，还强调环境保护和资源节约；不仅考虑当代人的生存问题，还关注子孙后代的生存环境。

（2）新型制造业可