極端制造(也稱極限制造或超常制造)是指在極端條件或環(huán)境下，制造極端尺度(特大或特小尺度)或極高功能的器件和功能系統(tǒng)。極端制造集中表現(xiàn)在微細(xì)制造、超精密制造、巨系統(tǒng)制造和強(qiáng)場(如強(qiáng)能量場)制造。極端制造是先進(jìn)制造技術(shù)的核心之一。20世紀(jì)下半葉以來，極端制造快速發(fā)展，并向多領(lǐng)域滲透，已成為當(dāng)代先進(jìn)制造的重要特征，是各國搶占新一輪制造技術(shù)制高點(diǎn)的戰(zhàn)略必爭之地，其所形成的強(qiáng)大生產(chǎn)力已成為國家發(fā)展和國力競爭的重要基礎(chǔ)。我國的極端制造已取得積極進(jìn)展，但在技術(shù)能力、整機(jī)產(chǎn)品、關(guān)鍵環(huán)節(jié)等方面都與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，難以滿足行業(yè)發(fā)展需要。我國迫切需要加緊部署，提升極端制造能力，加快向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。
極端制造是戰(zhàn)略必爭之地
極端制造是一國制造業(yè)綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。極限制造技術(shù)在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中顯得越來越重要，已成為許多高科技技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和前提。極端制造表面上看，是產(chǎn)品尺度及環(huán)境的變化，實(shí)質(zhì)上則集中眾多高新科技，具有極強(qiáng)帶動效應(yīng)。如飛機(jī)發(fā)動機(jī)以高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷這“四高”為技術(shù)難點(diǎn)，是考量一個(gè)國家材料工業(yè)和制造工藝尖端加工能力的關(guān)鍵產(chǎn)品。各國“航母競爭”的背后是高端裝備制造業(yè)、尖端材料學(xué)乃至燃料工業(yè)等綜合實(shí)力的競爭。當(dāng)今制造強(qiáng)國，均擁有較強(qiáng)的極端制造能力。缺乏極端制造能力，也就缺乏國際競爭的“撒手锏”。
極端制造是各國搶占先進(jìn)制造競爭制高點(diǎn)的戰(zhàn)略要求。目前極端制造正處于蓬勃發(fā)展的階段，工業(yè)發(fā)達(dá)國家早已將極端制造列為重點(diǎn)研究方向。美國1991年就提出將“微米級和納米級制造”列為國家關(guān)鍵技術(shù)。半導(dǎo)體設(shè)備作為重要的極端微細(xì)加工設(shè)備，是整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)與核心，美國則憑借半導(dǎo)體工業(yè)的領(lǐng)先地位牢牢把控著制造業(yè)的主導(dǎo)權(quán)。德國確立了機(jī)械制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的“綠色制造”、“信息技術(shù)”和“極端制造”三大發(fā)展目標(biāo)，為“德國制造”的品質(zhì)保障提供了有力支撐。
極端制造是帶動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要突破口。傳統(tǒng)工業(yè)向新型工業(yè)化道路轉(zhuǎn)變的方向已經(jīng)十分明確，但如何推動轉(zhuǎn)變?nèi)栽谔剿髦?。傳統(tǒng)增長軌跡已顯乏力，亟須在先進(jìn)制造前沿領(lǐng)域發(fā)力。一方面，極端制造從前沿“倒逼”我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。如航母用的極細(xì)、韌性極高的四條攔阻索由美國和俄羅斯控制，只能依靠自主研制。另一方面，極端制造應(yīng)用到常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造當(dāng)中，將對推動產(chǎn)品升級換代以及制造技術(shù)的改造提升發(fā)揮極強(qiáng)的帶動作用。航母千億元級別的投資也將帶動航空、動力、機(jī)械、電子、材料乃至燃料工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，同時(shí)也能錘煉中國制造業(yè)的復(fù)雜大系統(tǒng)集成能力。
全球極端制造能力大幅提升
極端制造是前沿科技和前沿科技產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)焦點(diǎn)，是制造業(yè)未來的重要發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代以來，世界各國都把制造技術(shù)的研究和開發(fā)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)先發(fā)展，如美國的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃AMTP、日本的智能制造技術(shù)(IMS)國際合作計(jì)劃、德國的制造2000計(jì)劃。極端制造代表著一個(gè)國家的制造水平，世界各國對極端制造技術(shù)發(fā)展給予高度重視，大量時(shí)間、資金投入到極端制造的研發(fā)推廣中，促使全球極端制造能力大幅度提高。
以大型金屬構(gòu)件塑性成形制造能力為例，美、俄、法等國建造了一批4.5噸到7.5噸的巨型水壓機(jī);歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家使用大型盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工的城市隧道已占90%以上;作為集裝箱船與碼頭之間的主要裝卸設(shè)備，大型集裝箱起重機(jī)在世界許多國家和地區(qū)都得到了迅猛發(fā)展。在微制造方面，全球極端制造的最新成果目前已初見端倪，如微射流光纖傳輸系統(tǒng)，比目前的光纖傳輸速度快約10倍;正在研制的量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行3秒的速度，相當(dāng)于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)運(yùn)行上百億年的計(jì)算量。隨著現(xiàn)有極端制造技術(shù)日趨成熟，極端制造在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新突破，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通、通信、石油、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，幾乎所有人接觸到的領(lǐng)域都能見到極端制造的身影。
目前全球的極端制造還存在一些難題有待解決，制造技術(shù)突破的焦點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：一是如何在超強(qiáng)能場誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的多維、多尺度演變和制造目標(biāo)。例如大型構(gòu)件制造、芯片高密度倒裝界面的能量傳遞與轉(zhuǎn)化;二是微結(jié)構(gòu)的精密成形、選擇性性能演變與制造目標(biāo)，包括微生長、微成形、微去除等制造界面處的能量與物質(zhì)傳輸?shù)?三是微系統(tǒng)的組裝與功能形成，即如何將量子力學(xué)、微動力學(xué)、分子動力學(xué)等規(guī)律運(yùn)用到微驅(qū)動、微操縱、微連接等過程中，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的微系統(tǒng);四是建立功能穩(wěn)定、運(yùn)行精確的復(fù)雜功能系統(tǒng)。與此同時(shí)，在極端環(huán)境下的多場耦合、隨機(jī)擾動與過程穩(wěn)定問題，也尚待解決。
隨著中國在極端制造方面研發(fā)力量的加大、貿(mào)易規(guī)模的擴(kuò)大，中國在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了不少重大突破，越來越多的極端制造產(chǎn)品在中國問世。在極“大”方面有30萬噸的超級油輪、7000米的蛟龍?zhí)栞d人深潛器、全球最大的36000噸垂直金屬擠壓機(jī)等專業(yè)化裝備;在極“小”方面有微納芯片等。不僅如此，一些極端制造技術(shù)已經(jīng)在公共安全、航天航空、石油化工等眾多領(lǐng)域獲得成熟應(yīng)用，并且近年來這些領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平都大幅度提升，形成了若干具有國際競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)和骨干企業(yè)。
極端制造呈現(xiàn)出新發(fā)展趨勢
未來的科學(xué)技術(shù)必將在各種高能量密度環(huán)境、物質(zhì)的慎微尺度、各類復(fù)雜巨系統(tǒng)中不斷出現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)、新發(fā)明。新世紀(jì)科學(xué)與社會對制造的挑戰(zhàn)將會產(chǎn)生全新極端制造，新一代極端制造也必然制造出更完美的產(chǎn)品。整體上極端制造將朝著極大、極小、極精等方向極速發(fā)展，極端制造業(yè)呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢。
極端制造產(chǎn)品將實(shí)現(xiàn)智能化、自動化、低成本化，產(chǎn)品性能高、功能多且環(huán)境相容性強(qiáng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)與制造業(yè)技術(shù)的完美融合，使極端制造產(chǎn)品呈現(xiàn)新的特點(diǎn)。制造技術(shù)的發(fā)展會提高產(chǎn)品智能化、自動化程度，極端制造技術(shù)不斷地改善成熟，將大幅度降低制造成本。新技術(shù)的應(yīng)用，一方面，在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前能夠通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真模擬，判斷其最終效果，及時(shí)反饋信息，再根據(jù)這些信息不斷調(diào)整設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多功能化;另一方面，通過對各種資料信息的收集處理，提高對極端環(huán)境、極端條件的把握度，使最終生產(chǎn)出來的產(chǎn)品最大限度地與環(huán)境相容。
技術(shù)是極端制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，極端制造的技術(shù)研發(fā)力量將會集中化、專業(yè)化，研發(fā)投入會增加，極端制造技術(shù)將具備領(lǐng)先性、發(fā)展性。隨著人類生存和發(fā)展環(huán)境日益復(fù)雜、人們對新極端領(lǐng)域的探索欲望增加，極端制造方面的研發(fā)力度也會進(jìn)一步加大。為了降低研發(fā)成本、提高研發(fā)效率，極端制造產(chǎn)品及技術(shù)的研發(fā)將會呈現(xiàn)核心產(chǎn)品集中攻關(guān)，相關(guān)技術(shù)各展所長、聯(lián)合開發(fā)的態(tài)勢。極端制造技術(shù)將具備可推廣性強(qiáng)、市場前景廣闊、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)，并能夠在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，滲入到社會的各個(gè)層面。
極端制造的運(yùn)行系統(tǒng)會復(fù)雜化，穩(wěn)定性、精確度將有所提高，微系統(tǒng)成為突破重點(diǎn)。隨著外部環(huán)境的日益復(fù)雜，為了減少復(fù)雜外部環(huán)境對系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行結(jié)果的影響、滿足更多的功能需求，極端制造的運(yùn)行系統(tǒng)也將復(fù)雜化，系統(tǒng)穩(wěn)定性、精確度會在市場的驅(qū)動下逐步提高。與巨系統(tǒng)相比，目前對微觀條件下的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律、微小構(gòu)件物理特性、載荷作用下的力學(xué)行為等認(rèn)識不夠充分，未能基于一定理論基礎(chǔ)形成成熟的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，一切的行為尚處于摸索階段，微系統(tǒng)的研究亟須突破，未來在該領(lǐng)域有望取得新進(jìn)展。
綠色制造模式是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的制造模式，面對日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源約束，極端制造也必須走上“綠色化”道路。綠色極端制造要求在整個(gè)制造過程中，對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響小，使廢棄物和有害物質(zhì)的排放量最小化、資源利用效率最大化;產(chǎn)品必須采用綠色原料、綠色資源、綠色技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品在生命周期內(nèi)都符合環(huán)保、健康、耗能低、資源利用率高的要求;循環(huán)式制造技術(shù)將被采用，產(chǎn)品的回收率和循環(huán)再利用率得到提高。
我國在極端制造領(lǐng)域存在較大差距
極端制造的應(yīng)用不足。目前我國在大型構(gòu)件制造方面落后于世界先進(jìn)水平，船舶、電力等大型工業(yè)裝備制造難以擺脫對國外的依賴。盡管單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)很高，但我國在超精密加工設(shè)備的研制和生產(chǎn)等方面存在著較大的差距，應(yīng)用處于初級階段。例如Precitech公司和Moore公司已商品化生產(chǎn)五軸超精密切削加工設(shè)備，而國內(nèi)的金剛石切削設(shè)備目前只做到了兩軸。極端制造在國外已廣泛應(yīng)用，并為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有力支撐。以大型金屬構(gòu)件塑性成形制造能力為例，美、俄、法等4.5萬～7.5萬噸的巨型水壓機(jī)，大大提高了大型飛機(jī)的制造能力及洲際運(yùn)載能力。產(chǎn)品價(jià)值鏈高端缺位，產(chǎn)品缺乏國際競爭力，行業(yè)內(nèi)未能產(chǎn)生世界知名品牌。中國極端制造業(yè)產(chǎn)品檔次不高，絕大多數(shù)處于價(jià)值鏈低端，為用戶提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程承包、維修改造、回收再造等服務(wù)未能得到培育，生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后。中國極端制造現(xiàn)階段普遍采用的模式為引進(jìn)──模仿──改善，引進(jìn)的產(chǎn)品、技術(shù)大多在進(jìn)口國已經(jīng)過時(shí)甚至遭到淘汰，后發(fā)劣勢明顯，產(chǎn)品在國際市場上缺乏競爭力，未能形成具有代表性的世界知名品牌。
極端制造的制造能力不足。我國雖然在大型、超大型機(jī)床制造、精細(xì)制造等領(lǐng)域取得一定進(jìn)展，但與發(fā)達(dá)國家相比，整體上仍存在較大差距。比如納米制造領(lǐng)域，目前中國納米技術(shù)在納米電子器件、納米生物醫(yī)藥等納米科技領(lǐng)域研究能力薄弱。中國絕大多數(shù)的納米加工、檢測的儀器設(shè)備均采用歐美日等國家的產(chǎn)品，自主研發(fā)的設(shè)備占有的市場份額很少。雖然我國微電子產(chǎn)業(yè)已具備一定規(guī)模，但微制造的科學(xué)研究未形成對整個(gè)領(lǐng)域有影響的研究成果，幾乎沒有自主的核心技術(shù)，依靠引進(jìn)技術(shù)與裝備形成的制造能力滯后于國際先進(jìn)水平1-2代。自主創(chuàng)新能力弱，缺乏核心技術(shù)，關(guān)鍵零部件發(fā)展落后，關(guān)鍵技術(shù)和高端裝備進(jìn)口依賴度高。在中國極端制造業(yè)中，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和自主品牌的技術(shù)和產(chǎn)品少，在許多高端裝備領(lǐng)域未能掌握核心技術(shù)，高端主機(jī)和成套設(shè)備所需的關(guān)鍵零部件大量依靠進(jìn)口，高端產(chǎn)品不能獨(dú)立完成生產(chǎn)，大多由國外提供設(shè)計(jì)，采用進(jìn)口的核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件，在國內(nèi)進(jìn)行加工組裝完成。以高檔數(shù)控機(jī)床為例，我國90%高檔數(shù)控機(jī)床、95%高檔數(shù)控系統(tǒng)以及70%高檔數(shù)控機(jī)床配套的高檔功能部件需進(jìn)口。
極端制造的研發(fā)不足。極端制造技術(shù)涉及到現(xiàn)代設(shè)計(jì)、智能控制、超精密加工等多項(xiàng)高科技，需要發(fā)揮多學(xué)科優(yōu)勢進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。目前，我國極端制造基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)不足，極端制造技術(shù)研發(fā)投入過于分散，產(chǎn)品研發(fā)孤軍深入，尚未形成體系，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程困難重重。用于研究的材料計(jì)量、測量和表征技術(shù)明顯落后于國外，在多自由度重載操作裝備方面的研究十分薄弱。納米材料等極端制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和開發(fā)研究出現(xiàn)脫節(jié)，學(xué)科交叉，技術(shù)集成不夠。產(chǎn)品、技術(shù)研發(fā)投入力度相對先進(jìn)國家較小，研發(fā)隊(duì)伍單一。中國的研發(fā)投入占GDP的2.08%，這個(gè)比例相較先前已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是和工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍然較低，美國在2.9%的基礎(chǔ)上還有追加。中國企業(yè)研發(fā)投入平均在1.2%，低于國際上對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展3%的規(guī)定，美國、日本則分別為4.9%、3.8%。中國極端制造的發(fā)展對國家依賴性強(qiáng)，從研發(fā)到應(yīng)用推廣的全過程國家參與度高，企業(yè)自發(fā)性研發(fā)少，且企業(yè)之間缺少研發(fā)合作，不利于形成以企業(yè)為主導(dǎo)的極端制造產(chǎn)業(yè)。
我國極端制造發(fā)展不平衡。一方面，在國際市場上已經(jīng)成熟的極端制造產(chǎn)品在我國市場上出現(xiàn)產(chǎn)能過剩，另一方面，在一些中高端極端制造產(chǎn)品上卻存在很大缺口，這種缺口不僅表現(xiàn)在技術(shù)上的缺乏，還表現(xiàn)為生產(chǎn)極端制造產(chǎn)品所需材料的缺乏，對進(jìn)口依賴性高。與此同時(shí)，從整體上來看，中國在極“大”方面的表現(xiàn)優(yōu)于極“小”，極“小”方面的成就優(yōu)于極“精”;與極端制造技術(shù)和產(chǎn)品相比，支持多種極端制造技術(shù)和產(chǎn)品得以有效運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)制造相對滯后，極端制造業(yè)內(nèi)部發(fā)展不平衡。
提升我國極端制造能力若干思考
隨著我國新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步推進(jìn)，中國超大的內(nèi)需潛力將被激發(fā)出來，新的安全需求、民生需求、消費(fèi)需求，都要求我國極端制造業(yè)再上臺階。不僅市場驅(qū)動著中國極端制造的前行，國家政策也在為國內(nèi)極端制造的發(fā)展保駕護(hù)航。當(dāng)前中國制造業(yè)正面臨工業(yè)發(fā)達(dá)國家高技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢和發(fā)展中國家低端產(chǎn)品更低成本優(yōu)勢的雙向擠壓，國內(nèi)發(fā)展以極端制造為代表的高端制造業(yè)呼聲高漲。國家出臺多項(xiàng)政策都將極端制造列為重點(diǎn)支持對象，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》明確指出注重極端制造技術(shù)的發(fā)展，《中國制造2025》更是直指極端制造。極端制造業(yè)的發(fā)展迎來大好時(shí)機(jī)。
把握機(jī)遇，將極端制造作為發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)?，F(xiàn)代基礎(chǔ)工業(yè)、航空、航天、電子制造業(yè)的發(fā)展，促成了各種超常態(tài)條件下制造技術(shù)的誕生。極端制造是制造業(yè)面對日益?zhèn)€性化市場需求出現(xiàn)的新趨勢。哪個(gè)國家能夠更快地?fù)屨紭O端制造制高點(diǎn)，哪個(gè)國家就是當(dāng)代制造強(qiáng)國。當(dāng)前，世界各國對納電子、強(qiáng)場制造等處于起步和發(fā)展階段，迫切需要把握這一歷史時(shí)機(jī)，將極端制造列入國家發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。
夯實(shí)基礎(chǔ)，加大極端制造重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)力度。目前國內(nèi)對極端制造研究力量、目標(biāo)與規(guī)劃尚未有效協(xié)同。迫切需要國家將極端制造列入國家重大基礎(chǔ)研究規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金等各項(xiàng)重大國家計(jì)劃，明確戰(zhàn)略目標(biāo)與戰(zhàn)略重點(diǎn)，凝聚國內(nèi)優(yōu)勢學(xué)科力量。同時(shí)，突出以建設(shè)巨系統(tǒng)、微系統(tǒng)、超強(qiáng)制造等研發(fā)轉(zhuǎn)化基地為重點(diǎn)，加快建立材料體系、器件與系統(tǒng)、制造工藝、制造裝備、精密檢測、精良控制等科學(xué)基礎(chǔ)研究平臺。
應(yīng)對挑戰(zhàn)，加緊布局極端制造前沿領(lǐng)域。現(xiàn)代基礎(chǔ)工業(yè)、航空、航天、電子制造業(yè)的發(fā)展，對機(jī)械工程技術(shù)提出了新的要求，促成了各種超常態(tài)條件下制造技術(shù)的誕生。當(dāng)前，極端制造技術(shù)處于快速發(fā)展變化之中。從極端制造所達(dá)到的“實(shí)際制造極限”距離“理論極限”還有相當(dāng)大的差距。迫切需要積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，關(guān)注現(xiàn)代極端制造的前沿領(lǐng)域變化和發(fā)展。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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