新世纪的制造技术与机床

我们刚刚跨入了21世纪,又迎来了《制造技术与机床》创刊50周年。50年来《制造技术与机床》传播制造技术与机床方面的知识,交流相关领域成果和经验,为我国制造技术与机床工业的发展做出了不可磨灭的贡献。《制造技术与机床》是一本深受广大工程技术人员、教师、学生欢迎的技术刊物。她的主要特点就是注重理论与实际、学术与应用相结合。她是一本高水平的学术刊物,同时又十分注意解决实际问题。她内容丰富、形式多样、装帧优美、通俗易读。正因为这样,她受到广大读者的喜爱,50年来得到了不断的发展。她是我国机械类技术刊物中历史最为悠久、发行量最大的杂志之一。在新世纪,制造技术将进一步显示它在国民经济中的支柱地位。在信息和知识经济时代,科技信息和成果的传播,将对推动整个社会的发展发挥越来越重要的作用。我们相信,新世纪,新千年,《制造技术与机床》会办得更好,更受读者欢迎,为国家的建设做出更大的贡献。

在新世纪来临之时,人们议论得最多的问题之一是新世纪的制造技术将怎样发展。不久前我参加了在悉尼举行的国际生产工程学会(CIRP)第50届年会。大会圆桌讨论的题目是:新千年的制造工业,这也是本届大会的主题。下面我结合国际生产工程学会第50届年会情况,谈一些看法。

1绿色制造与可持续发展已成为全球最大关注

科技的发展创造了历史的奇迹。但人们也越来越认识到,自然界的资源是有限的,环境和生态正遭受巨大的破坏。绿色制造与可持续发展已成为人们最为关注的课题之一,可持续发展已列为我国基本国策。国际上制定了一系列环境保护的法规。国际生产工程学会对绿色制造与可持续发展连续安排了“寿命周期”、“装配与拆卸”、“干切法”、“装配与拆卸的集成发展”等主题报告。

在本届大会上,德国E.Westkamper教授在题为“寿命周期管理与评价:走向可持续发展的见解与道路”的主题报告中指出,当前对人类生存威胁最大的是:(1)自然资源过量的消耗。以能源为例,按目前的消耗速度,已查明的石油、天然气、煤分别只够用40、60、185年。(2)人口的急剧增长。全球人口正以每年1.33%的速度增长,预计2050年全球人口将达89亿。(3)环境的污染与生态平衡的破坏。这些情况在我国也十分严重。

要实现可持续发展,必须实行可持续消费。作为措施之一是必须大力开发可再生能源和材料。太阳能、风能的利用受到越来越多的重视,新材料也应当是可再生的。绿色不仅包括不污染环境,不破坏生态平衡,也包括对资源的保护。

要做到生产的可持续发展,必须发展可持续产品。近年来出现了一种错误认识,认为随着科技的快速发展,产品的更新换代加快,产品的有效使用寿命会越来越短。必须改变这种认识和做法。

为了发展可持续产品,必须改变对产品寿命周期的传统认识。一般将产品的寿命周期分为制造、使用和回收处理等三个阶段,只有制造阶段是产生附加值的阶段。可持续产品的生产中,制造过程的有效延伸将不断增加整个产品在使用和回收中的附加值。21世纪产品的价值将不是以固化的硬件为主,而是以其知识和技术含量为主。在产品使用中,通过不断更新和增加知识和技术含量可实现产品的演变,乃至更新换代,扩大产品附加值。很多情况下可通过网络来实现。产品的硬件含量应尽可能地少,并且多是模块式的,便于扩展与更新。产品将越来越多地以租用的方式进入市场。再制造(remanufacturing)将是产品生产的重要方式。再制造不同于修理(repair),修理后的目的是恢复原有产品性能,而通过再制造是要使产品的性能上一个层次。

21世纪产品的创新将进一步加快,不创新不能满足社会进步、生活质量提高的需求,没有创新的产品也无法赢得市场。创新与发展可持续产品并不矛盾。不断更新和增大产品知识和技术含量是产品创新的一种重要方式。
必须同时从认识上、法规上、体制上、技术上采取措施,以实现绿色制造与可持续发展。

2信息化的制造技术是机械制造业的主要发展方向

当今的时代是信息时代。20世纪有许多重大科技成果,但任何一项技术对整个社会影响都没有信息技术那么大。在生产过程中信息流是最活跃的。物质流与能源流在信息流指挥下运动。信息技术与制造技术的融合是机械制造技术发展的主要方向。近年来机械制造技术最大的变化是信息获得、信息处理、信息流动方式的变化。计算机辅助设计与制造、仿真、建模、神经网络、模糊控制、智能技术、机器人、柔性制造技术、集成制造系统、并行工程、精益制造、敏捷制造、虚拟制造、虚拟现实、反向工程、全能制造、全球制造等仍然是机械制造技术中的热门课题。信息技术的应用已经深入到各个方面。

21世纪信息化的制造技术将有它新的发展特色,这一发展特色将首先体现在智能化(Intelligence)、网络化(Internet)、集成化(Integration)和创新(Innovation)上。和信息化(Information)一起,可称为5I技术。
信息是控制的依据。信息可以是有序的,但更多是无序的。从无序的信息中提取有用的信息,需要知识,需要智能。知识和智能是一种有序的,能对信息进行排序、整理的一种高层次信息。19世纪下半叶开始的机械化、20世纪开始的自动化主要从体力上解放人类,那么21世纪更需要从脑力上解放人类,这就需要实现智能化。只有智能化,才能在更复杂的情况下实现更高层次的自动化。

20世纪末开始的经济全球化进程,异地设计、知识共享、资源共享、并行工程、精益生产、敏捷制造、全球制造等都得益于互联网。网络正在改变人们的生活,也在改变制造业的面貌。电子商务、网上培训、网上服务、网上技术支持、通过网络进行产品的再制造,正在将生产的全过程全球化。21世纪的制造技术将是网络化的全球制造技术,通过网络不断更新和增大产品的知识和技术含量,将成为制造和再制造的一种重要方式。

科学技术的综合,特别是信息技术与制造技术的融合是20世纪后期机械制造技术发展的主要方向。在21世纪这一趋势将继续深化。深化的含义不仅包括科技综合的领域的广度,更包括它融合的深度。从综合的领域看,已不仅是最初的机电一体化,以及稍后的机、电、光、液、气、仪、算一体化。这种综合已覆盖材料科学、生物学、生命科学、原子物理、化学、管理科学、金融、商务、人文科学、社会科学、心理学等等,可以说涉及一切领域。从深度看,融合的程度越来越深,有好多问题已很难说是哪一领域课题。已经有人提出对科学和技术进行重新分类。科学与技术的界限也越来越模糊。科学技术的综合与融合,这是集成的含义,用集成二字也有它们已经构成一个整体的含义。

集成化还包括整个生产过程的集成,并行工程就包含着设计与制造的集成,CIMS(集成制造系统)就是设计、制造、检测、运输、供料和管理等的集成。售前服务、售后服务与设计、制造正在集成,而且售后服务的含义应包括再制造。在产品使用中不断更新和增大知识和技术含量将成为制造的延续,也就是说制造和使用将成为一个整体。
集成化还包括企业内部和外部的集成,纵向与横向的集成,包括地域上的集成。跨国公司、各种企业之间的合作已成潮流,全球制造已成为制造技术发展的趋势。

在谈到集成的时候,必须把发展生产作为整个社会发展的一个部分来考虑。技术进步只是一种手段,必须把它融入人类、社会、文化和整个自然界的发展,集成起来作为一个整体来考虑。

21世纪将要求产品加快创新,而创新必须要求充分利用各种最新科学技术的综合,特别与前沿科学技术的集成。

3生物制造技术将在21世纪取得重要发展

有人预见,21世纪将是生物科学时代。特别是在基因工程中取得重大突破的今天,更加深了这一理解。无疑,生物科学和技术的发展也将对制造技术带来重大影响。制造技术的一个重要方向——生物制造技术正在形成。
生物制造技术包括两个方面,一是将生物科学和技术的新发现、新成就用于制造业。生物的进化已经有几万年,乃至几亿年的历史,而制造业主要是近几百年发展起来的。生物的自组织、自生长、自生成、遗传等性能,还有他们的许多智能特性都是许多人造产品所不具备、需要借鉴和发展的。生物在与自然界斗争中,增长了许多本领,其机理多数还没有被认识。弄清这些机理,并以适当方式将它用于制造业,无疑将会大大促进制造业的发展,给制造业带来革命。这就是仿生机械和仿生制造的内容。

另一方面,生命科学、生物技术的发展,也给制造业不断地提出新的使命。生命科学和生物技术要求制造业能制造出种种仿照人体和生物的功能,帮助人们和生物延长其寿命,恢复某些器官的功能,制造能取代某些被损坏器官和组织(如骨骼、皮肤、肌肉、神经、四肢、鼻子、心脏等)的器件和机构等等。这也需要将生物技术和制造技术结合起来,这是生物制造技术的另一重要内容。

应当说,生物制造技术的发展还只是刚开始,必须大力发展。有人建议,国际生产工程学会应该成立生物制造技术专业委员会,对生物制造技术方面的论文应开绿灯、优先发表。

4纳米技术与微机电系统是21世纪机械制造的重要发展方向

微机电系统是指总尺度很微小,如不超过几个毫米的机电系统。纳米技术是指实现纳米级精度,或某一维尺寸在纳米级的技术。二者是有区别的,但又有紧密联系,二者合称微纳技术。本届大会的5篇主题报告中有3篇是关于微纳技术的,它们分别论述了微加工、微系统的装配和纳米技术的国际发展现状。这充分表明,在机械制造各个领域工作的学者都不约而同地认定,微纳技术是21世纪机械制造发展的一个重要方向。

信息时代的主要标志是高性能电子计算机的发展与广泛应用,而计算机的性能首先是它的运算速度和存储容量,取决于在一块芯片上能集成多少个晶体管。大规模集成电路的线条已做到亚微米级,进一步要求将线条做到纳米级,计算机性能新的飞跃需要依靠纳米技术。在其他一些领域,如光盘的制作、精密光学器件的制作、航空航天领域,一些精密、高速运行的机械也提出了纳米级的精度要求。

硅原子的晶格间隔约为0.2nm,在纳米量级已是对单个或少量分子、原子进行操作。纳米结构的物质表现了很多的独特性能。这些性能在材料科学、医学等许多领域有重要应用。例如,纳米结构的材料在硬度、密度、强度、延展性、导热性、磁耦合、催化能力、吸附选择性、以及电学和光学性能等方面均有很大增进。例如纳米碳管的抗拉强度比钢高20倍,而强度质量比则为钢的50多倍。将这些材料用在航空、航天上,用在人体上显示出十分巨大的优越性。纳米薄膜也得到了广泛应用。

生命科学和生物技术被誉为下一世纪的领头技术。而为了进行生命科学和生物技术的研究,需要将各种微型传感器和执行器植入人体或生物体内部。人体的治疗与康复、无损伤的外科手术、药品的准确输送、疾病的准确诊断、人工器官的植入、生物品种的改良等也需要各种微型器械。为了赋予建筑、车辆、材料等智能性能,也要将各种微型传感器和执行器植入它们的内部。这都要求发展纳米技术。微机电系统和纳米技术的产品正以每年百分之几十的速度增长。

无论是微机电系统还是纳米技术,其实现的关键都是制造技术。三篇主题报告都对微机电系统与纳米加工技术的发展趋势作了论述。

微加工对装备的精度、环境条件、单周期的物质变化量都比常规加工提出了高得多的要求。英国(暂不可见)rbett教授和日本T.Masuzawa教授在他们的主题报告中介绍了钻石切削、超精磨削、超精铣削、电子束加工、离子束加工、激光束加工、电火花加工、电化学加工、超声加工、光刻、电化学浸蚀、物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)、蒸发图形形成、电子束光刻、X射线光刻、LIGA(一种基于光刻、电镀和模制的深度蚀刻技术)、生物加工(一种利用细菌对有机体进行浸蚀加工的技术)、扫描探针显微镜、扫描近场光学显微镜、层积法(立体光刻)、线电化学磨削、线电火花磨削、电铸、微铸、微冲、微锻等加工方法。

微机电系统的装配是一个十分困难的问题。微机电系统本身尺度很小,它的零件就更小了。对这样小的零件,由于尺度小,加之受力的情况复杂,与宏观情况很不一样,物体所受静电引力、范德瓦尔斯力、表面张力、液体黏附力等都可能超过重力,这给寻觅、抓取、释放、定向、定位、连接、紧固微小零件等都造成很大困难。装配机构的设计、制造很复杂。解决这些困难的一个方法是将微机电部件尽可能做成整体的,但是有许多情况不能完全避免装配。例如砷化镓工艺与硅工艺是不相容的,通过装配也使不同零件能采用最合适材料和最佳工艺。

另一重要问题是纳米测量。只有能够精确测量,才能保证所制造纳米器件符合所需要求。电容传感器、光学干涉仪、X射线干涉仪可分别实现10pm(1pm=10-12m)、80pm和2pm的分辨率。但对测量来说,必须具有溯源性,即能将米的定义传递到被测对象。英国国家物理实验室(NPL)、德国国家物理技术研究院(PTB)、意大利国家计量院正联合研制一种激光干涉仪与X射线衍射仪结合在一起的大量程纳米测量仪。它利用硅220的晶格常数(在100kPa和22.5℃下为0.192015497nm)对激光波长实现细分,达到亚纳米的分辨率。美国国家标准与技术研究院(NIST)、英国国家物理实验室(NPL)分别研制了具有纳米分辨率的三维测量机。

总之,21世纪的机械制造业将是信息化、智能化、网络化、集成化、不断创新的绿色制造业。生物制造技术、微机电系统和纳米技术在21世纪的机械制造业中将是领头技术。

在机械制造业的发展中,人才和教育是关键。新型的人才不仅应具有宽广坚实的基础,还要有很强的工作能力和不断学习获取新知识的能力。既要有一定的专门才能,又要有综合的知识,有创新能力和精神。还要有高度的社会责任感和合作精神。教育和学习将是终生的。

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