《美国先进制造业领导力战略》提出未来优先关注技术方向

         2018105日,美国白宫发布了由国家科学技术委员会先进制造分委员会编写的《美国先进制造业领导力战略》,首次公开了特朗普政府确保未来美国占据先进制造业领导地位的战略规划[1]。该报告提出了涉及技术、劳动力、供应链三大战略目标,目的是扩大制造业就业,确保强大的国防工业基础与可控的弹性供应链。同时,采取有力行动打击不公平的全球贸易。报告还将目标分解到了诸多联邦部门,国防部几乎参与了全部行动。

  制造业劳动力的教育、培训及信息联网战略目标下,报告提出了吸引并培养未来劳动力、更新并扩大职业及技术教育途径、推广学徒制以及实现技术工人与所需行业相匹配等4个方面未来4年的行动目标;在提升美国国内制造业供应链能力战略目标下,提出了强化中小型制造商在先进制造业中的作用、鼓励制造业创新的生态系统、加强国防制造业基础以及加强农村社区先进制造业等4个方面的行动目标。以下重点介绍新型制造技术的开发与转移战略目标下,报告确定的5项行动目标,以及各行动目标重点关注的优先技术方向。

  一、赢得智能制造系统的未来

  要在数字设计和制造方面处于领先地位,美国还需在数字制造环境中产品、工艺和物流信息的呈现、结构、传输、存储、标准化及保护等方面加强努力。技术优先方向包括4项。

  1、智能与数字制造。实现从设计到零部件生产的无缝集成,生产质量有保证的优质零部件。当前智能制造可靠性不足,需要通过改进复杂产品的高度集成设计和制造,使其能够在更短时间内以更低的成本实现,同时加快新产品推向市场的步伐。需要将大数据分析和先进传感与控制技术应用于规模化制造活动,促进制造业的数字化转型。优先支持机器、工艺和系统的实时建模和仿真,以预测和改进产品性能及可靠性;通过对设计、生产和性能历史数据的挖掘,揭示产品和工艺技术隐含的专业知识。制定标准,实现智能制造组件和平台之间无缝集成。

  2、先进工业机器人。受益于下一代机器人技术的主要工业部门包括航空航天、汽车、电子、生物技术和纺织品等。促进新技术和标准的开发,以便在先进制造环境中更广泛地采用机器人技术,并促进安全和有效的人机交互。

  3、人工智能基础设施。云计算、数据分析和计算建模与人工智能的融合将成为工业互联网的关键推动因素之一。制定人工智能新标准并明确最佳实践,在保护知识产权的前提下,在行业内和行业间实现制造业数据的一致性、可用性,同时保持数据安全性。

  4、制造业网络安全。随着智能制造的实施,美国制造业越来越易受到恶意行为和数据剽窃的攻击。制造系统及其集成控制系统是对现实世界有直接影响并通常无法按需更新的操作技术系统,因此通常不能通过简单地采用更新信息技术方法来保护。应制定标准、工具和测试平台,并普及在智能制造系统中实施网络安全的指南。

  二、开发世界领先的材料和加工技术

  先进材料对于新产品的开发以及经济和国家安全至关重要,但从发现新材料到市场化可能需要20年或更长时间。通过用更快、更高效、更精确和更强大的技术取代现有技术,以增强材料性能提升整个产业部门的成本效益和竞争力。技术优先方向包括3项。

  1、高性能材料。轻质及现代金属、复合材料和其他先进材料的发现与开发,能够显著提升国防、能源、运输和其他行业效能。许多美国高科技企业使用昂贵的材料和加工工艺,使其产品拥有最高端性能,而其他企业则是大批量、低成本生产的领导者,在降低生产成本方面具有丰富的经验。在高技术和大批量非竞争对手之间转移专业知识,可以降低高性能产品的成本并提升低成本产品的性能,从而为整个行业带来显著优势。利用高性能计算预测材料行为的强大新方法将促进这种知识转移。促进材料基因组和系统级计算方法用于材料设计、优化和实施,显著减少高性能材料识别、开发、验证和规模化生产的设计时间与成本。

  2、增材制造。增材制造在制造行业的应用取决于能否可靠地设定加工参数,从而在不同机器和不同地点之间进行可靠、可重复的生产,这就需要机器/工艺实现标准化,以及组成材料质量可靠。持续推进过程控制和过程监控,以确保增材制造技术成为可行的生产替代方案。开发新方法来衡量和量化材料与加工技术之间的相互作用,以更好地理解材料工艺结构的关系。建立新标准,以支持增材制造数据的表征、呈现和评估,以确保零件质量和可重复性。未来应扩大研究工作,建立将计算技术用于增材制造的最佳实践。

  3、关键材料。包括关键矿物在内的关键材料是支撑美国能源、国防、制成品和整个经济的诸多先进技术中,最易遭受供应风险的重要环节之一。应推进经济高效的加工和分离技术降低生产成本,或者通过研究可能的材料替代品,减少对关键材料的依赖,并通过创新制造工艺开发回收关键元素的方法。

  三、确保国内制造医疗产品

  有研究指出,医疗器械制造商和制药行业每年在直接销售额和高薪工作方面,为美国经济的贡献超过1万亿美元,此外还有难以量化的改善公共卫生等方面的间接贡献。技术优先方向包括3项。

  1、低成本分布式制造。传统小分子药物(如通用抗菌药物、疫苗)的制造已经外包到印度等亚洲地区,这将带来潜在的国家安全风险。应扩大国内药物生产能力,减少药物短缺的风险,并提供经济、小规模药物和生物制剂的生产。通过提供从实验室到诊所的更快生产途径,鼓励开发新的疗法和器械。

  2、连续制造。连续制造是特殊化学品和药物制造的新生产范式,可提高产品均一性、增加可持续性,并利用更小的占地面积、更高效率的生产基地实现生产更多种类药品和特殊化学品的灵活性。开发新方法,将当前以批次为中心的制药生产转变为无缝集成、连续单元操作的制造生产模式,以保持产品质量的一致性。

  3、组织与器官的生物制造。美国生物技术和生物制造技术的基础科学研究处于全球领先地位。为可重复和可扩展的组织制造开发流程和平台技术应该是主要关注点。制定标准、确定起始材料、自动化制造流程,以增强生物制造技术,并利用患者自己的细胞推进组织和器官制造的愿景。

  四、保持电子设计和制造的领导地位

  对于几乎所有经济部门和国家安全许多关键系统来说,半导体技术的进步都至关重要。互补金属氧化物半导体(CMOS)技术创新一直是增加晶体管密度指数同时降低每个晶体管功率的驱动力。技术优先方向包括两项。

  1、半导体设计工具与制造。缺乏低成本先进半导体材料和工艺的集成电路的设计工具和制造代工厂,是半导体和微电子行业创新的一个重大障碍。应优先考虑能力投资,以确保在国内开发和制造新微电子产品。从原型设计阶段开始,研究灵活制造方法,推动新设备开发和新材料测试。创建模型,以更好地利用设计工具和微电子代工厂。

  2、新材料、器件与架构。优先支持半导体和电子产品研究,扩大投资范围至包括电路板制造技术在内。

  五、扩大食品和农产品制造业的机遇

  美国将开发相关技术,推动粮食生产,满足不断增长的人口需求,保护食品供应链,改善生物基产品制造。技术优先方向包括3项。

  1、加工、测试和食品安全追溯。推广智能制造和数字制造概念,并应用到食品制造,包括利用数字成像、自动化、高级检测和数字线程来改善供应链的完整性。

  2、粮食安全和供应链。建设高效、公平分配的强大供应链,支持国内粮食生产。实施下一代质量控制系统,确保所有美国民众都能吃到营养安全的食品。

  3、改善生物基产品的成本与功能性。创新优先选项包括多产品生物精炼、纤维素纳米材料、高附加值林业产品、受保护农业和其他技术。其他制造优先事项对于食品和非食品应用同样重要,例如从植物育种的数学优化中提高种子产量、提高植物生产力和弹性、降低加工和转化成本、确保工人安全,以及提高整个供应链的效率等。开展植物育种、基因组学和生物基产品开发的联合研发。调整高通量自动化,以开发和筛选植物特性,如提高高附加值产品的产量、提高区域适宜环境中作物的恢复能力。                                         (万勇 黄健)

 

  


 

[1] Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing. https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/10/Advanced-Manufacturing-Strategic-Plan-2018.pdf

原文始发于:《美国先进制造业领导力战略》提出未来优先关注技术方向

 

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