國(guó)防高端制造裝備是以高新技術(shù)為引領(lǐng)，決定國(guó)防裝備制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的高附加值裝備。國(guó)防高端制造裝備最能體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)的技術(shù)水平，也是武器裝備研制能力的重要基礎(chǔ)。自?shī)W巴馬政府提出“重振制造業(yè)”以來(lái)，美國(guó)立足國(guó)家大工業(yè)基礎(chǔ)，充分運(yùn)用協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，推出一系列頂尖水平的國(guó)防高端制造裝備，包括極端制造裝備、智能制造裝備、增減材復(fù)合制造裝備、太空制造裝備等，這對(duì)實(shí)現(xiàn)武器裝備大型化、高效化、智能化研制生產(chǎn)具有重要意義。

　　一、發(fā)展背景

　　1.制造業(yè)重新成為全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，國(guó)防高端制造裝備迎來(lái)快速發(fā)展機(jī)遇期

　　經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，實(shí)體經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略意義再次凸顯，美國(guó)等世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛實(shí)施以重振制造業(yè)為核心的“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，瞄準(zhǔn)高端制造領(lǐng)域，謀求打造新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。國(guó)防高端制造裝備作為武器裝備研制生產(chǎn)的基礎(chǔ)和支柱，以及國(guó)防工業(yè)不可或缺的戰(zhàn)略資源，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家國(guó)防制造業(yè)爭(zhēng)奪技術(shù)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵點(diǎn)，其水平和擁有量是衡量國(guó)防工業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)。

　　2.在新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合促動(dòng)下，國(guó)防高端制造裝備向智能化方向發(fā)展

　　美歐等國(guó)加大智能制造相關(guān)創(chuàng)新力度，推動(dòng)3D打印、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)取得新突破，并致力于發(fā)展基于賽博實(shí)物系統(tǒng)（CPS）的智能制造裝備，積極布局“智能工廠”，推進(jìn)“智能生產(chǎn)”，引領(lǐng)制造模式的智能化轉(zhuǎn)型。為在新一輪工業(yè)革命中占據(jù)先機(jī)，美國(guó)于2013年發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略》，其核心是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器、高級(jí)分析和人的有機(jī)融合，推動(dòng)智能制造成為美國(guó)制造業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)和未來(lái)方向。

　　3.美國(guó)政府頂層謀劃、大力扶持國(guó)防制造技術(shù)與裝備發(fā)展

　　2011年，美政府發(fā)布《確保美國(guó)先進(jìn)制造的領(lǐng)先地位》，提出重點(diǎn)發(fā)展新一代機(jī)器人、創(chuàng)新型節(jié)能制造工藝等；2012～2014年，相繼出臺(tái)《制造業(yè)促進(jìn)法案》、《先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃》、國(guó)防部《制造技術(shù)（ManTech）戰(zhàn)略規(guī)劃》、《振興美國(guó)制造與創(chuàng)新法案》等，重點(diǎn)支持模塊化、智能化、增材制造、綠色可持續(xù)制造等國(guó)防高端制造裝備發(fā)展。2012年，美政府啟動(dòng)“國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃，擬投資10億美元，并吸引高于10億美元的社會(huì)資金，組建超過(guò)15家制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，截至2016年4月已成立8家，其中6家由國(guó)防部負(fù)責(zé)，對(duì)促進(jìn)國(guó)防高端制造技術(shù)與裝備創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。

　　二、發(fā)展態(tài)勢(shì)

　　美國(guó)防高端制造裝備日益呈現(xiàn)出極端化、智能化、復(fù)合化、模塊化、綠色化發(fā)展態(tài)勢(shì)，制造工藝已逐步從“以減材制造為主”向“增減材制造并舉”的方向發(fā)展，制造環(huán)境已從“在地球制造”向“太空制造”拓展。

　　1.極端化

　　為滿足新一代重型和超大型武器裝備發(fā)展需求，美國(guó)高度重視極端制造裝備發(fā)展，建造了代表世界最高水平的巨型攪拌摩擦焊裝備、機(jī)器人制造裝備、鍛造裝備等。

　　為支撐“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型運(yùn)載火箭的建造，2014年NASA和波音公司以及伊薩公司等聯(lián)合建造出全球最大的攪拌摩擦焊裝備“垂直集成中心”。該裝備高51.8米、寬23.8米，集成了焊縫質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)功能，可支撐SLS第一級(jí)（直徑8.46米、高約61米）箭體結(jié)構(gòu)焊接集成，是極端制造和綠色制造的典型；2016年，NASA將使用“垂直集成中心”完成SLS第一級(jí)的焊接集成，為2018年SLS的首飛奠定基礎(chǔ)。

　　2015年，NASA研制出世界最大的機(jī)器人復(fù)合材料纖維鋪放系統(tǒng)，其臂長(zhǎng)6.4米，安裝在長(zhǎng)12.2米的軌道上，機(jī)械臂頭部一次可裝入16束碳纖維，能在多個(gè)方向上精確運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)精細(xì)鋪絲，將為SLS建造直徑超過(guò)8米的全球最大的復(fù)合材料液氫貯箱。

　　此外，美國(guó)還投資1億美元發(fā)展了5萬(wàn)噸級(jí)的巨型模鍛裝備，鍛造出世界上最大的整鍛鋁合金戰(zhàn)車車底；建成了世界上最大的線性摩擦焊機(jī)，焊接表面積達(dá)10000平方毫米，打破了焊接鍛造負(fù)載100噸的紀(jì)錄。

　　2.智能化

　　利用現(xiàn)代傳感、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造裝備的智能化，已成為21世紀(jì)美國(guó)制造業(yè)的重要發(fā)展方向和新工業(yè)革命的主要標(biāo)志。

　　制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)、DARPA、NASA等機(jī)構(gòu)成為美國(guó)國(guó)防智能制造裝備創(chuàng)新發(fā)展的源泉

　　為在智能制造裝備和技術(shù)發(fā)展方面引領(lǐng)創(chuàng)新，加速國(guó)防工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，美國(guó)計(jì)劃構(gòu)建智能制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，并通過(guò)國(guó)防部牽頭組建的“美國(guó)造”制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)、數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，大力推進(jìn)智能機(jī)器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、可穿戴計(jì)算、賽博實(shí)物系統(tǒng)、先進(jìn)增材制造裝備等智能制造裝備相關(guān)項(xiàng)目的研發(fā)。2016年，美國(guó)防部提出制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)將重點(diǎn)關(guān)注先進(jìn)機(jī)床和控制系統(tǒng)、輔助和柔性機(jī)器人等領(lǐng)域。早在2010年，DARPA就啟動(dòng)了自適應(yīng)車輛制造項(xiàng)目，旨在預(yù)先研究智能制造裝備和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜系統(tǒng)研制生產(chǎn)智能化，其成果將與制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)成果結(jié)合，轉(zhuǎn)化應(yīng)用到武器裝備研制中。此外，NASA在2015年《航天技術(shù)路線圖（草案）》中也提出發(fā)展智能一體化制造、賽博實(shí)物系統(tǒng)，推進(jìn)可持續(xù)制造。

　　機(jī)器人制造裝備、智能機(jī)器、增材制造裝備等已成為美國(guó)國(guó)防高端智能制造裝備發(fā)展的潮流

　　美國(guó)在機(jī)器人增材制造裝備、復(fù)合材料制造裝備以及自動(dòng)化裝配裝備等方面已取得重大突破。2015年11月，美國(guó)Arevo實(shí)驗(yàn)室宣布建成世界上首臺(tái)機(jī)器人增材制造裝備。該裝備集成了德國(guó)ABB機(jī)器人公司的商用6軸機(jī)器人系統(tǒng)、熔融沉積成形3D打印技術(shù)、末端執(zhí)行器硬件以及綜合軟件套件等，可實(shí)現(xiàn)航空航天高性能碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零部件的高效自動(dòng)化制造，建造范圍在1000立方毫米～8立方米之間；NASA于2015年建成的世界最大的機(jī)器人復(fù)合材料纖維鋪放系統(tǒng)既是極端制造裝備的典型，也是機(jī)器人制造裝備的典型；2014年，波音公司“機(jī)身自動(dòng)站立裝配”裝備通過(guò)技術(shù)驗(yàn)證，已用于“波音”777飛機(jī)裝配。此外，波音公司將先進(jìn)態(tài)勢(shì)感知、賽博實(shí)物系統(tǒng)等技術(shù)引入飛機(jī)裝配生產(chǎn)線中，構(gòu)建智能裝配生產(chǎn)線，并應(yīng)用于“波音”737和“波音”787飛機(jī)研制生產(chǎn)中；美海軍金屬加工中心開展了多型水面艦艇加強(qiáng)筋制造自動(dòng)化工裝裝備研究，可大量節(jié)省艦艇加強(qiáng)筋的建造成本。

　　3.復(fù)合化

　　工藝復(fù)合化、功能復(fù)合化已成為高端制造裝備提高效率、節(jié)約成本的重要發(fā)展方向。美國(guó)通過(guò)工序復(fù)合、工藝復(fù)合、模塊化設(shè)計(jì)等方式，建成增減材制造裝備、“攪拌摩擦焊裝備庫(kù)”等復(fù)合化國(guó)防高端制造裝備。2015年5月，“美國(guó)造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)宣布，基于模塊化設(shè)計(jì)方案，首創(chuàng)建成兼具數(shù)控加工能力和激光工程化凈成形金屬增材制造能力的增減材復(fù)合制造裝備，預(yù)示著制造企業(yè)和生產(chǎn)車間能以較低成本、較高效率對(duì)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床進(jìn)行升級(jí)改造，使同一機(jī)器同時(shí)具備增材制造和減材制造雙重工藝能力，進(jìn)而大幅提升生產(chǎn)能力和成本效益。2016年，NASA將基于“攪拌摩擦焊裝備庫(kù)”建成SLS第一級(jí)，其中有5套裝備用于焊接制造貯箱的筒型結(jié)構(gòu)、圓形封頭、連接環(huán)箍結(jié)構(gòu)等分系統(tǒng)及其部件，“垂直集成中心”則完成各種大型部件的裝配集成。未來(lái)，機(jī)器人與常規(guī)制造裝備的復(fù)合化、基于賽博實(shí)物系統(tǒng)的智能機(jī)器互聯(lián)將是復(fù)合化發(fā)展的新潮流。

　　4.太空制造

　　為滿足未來(lái)在太空按需制造零部件，并進(jìn)行自動(dòng)化集成裝配的需求，NASA、DARPA等政府機(jī)構(gòu)聯(lián)合太空制造公司、勞拉空間系統(tǒng)公司、諾格公司、奇點(diǎn)大學(xué)等工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的力量，致力于發(fā)展太空3D打印制造裝備和太空機(jī)器人一體化的制造裝備。目前，太空制造裝備發(fā)展已在一些領(lǐng)域取得突破。

　　太空3D打印制造裝備研制取得階段性成果

　　2011年，NASA授權(quán)太空制造公司開展零重力3D打印機(jī)研究。2014年，該公司研制的首臺(tái)試驗(yàn)型零重力3D打印機(jī)被送往國(guó)際空間站；2015年2月，完成了首輪太空3D打印試驗(yàn)；2016年3月底，第二臺(tái)太空3D打印機(jī)被送往國(guó)際空間站，并于6月打印出首個(gè)工具扳手，成為人類歷史上首臺(tái)商用太空制造裝備。

　　太空機(jī)器人集成制造裝備研發(fā)加速推進(jìn)

　　2 0 1 5 年8 月， D A R P A 授權(quán)勞拉間空系統(tǒng)公司研究在太空制造通信衛(wèi)星的機(jī)器人裝備（“蜻蜓”項(xiàng)目）；2015年12月，勞拉間空系統(tǒng)公司宣布已與N A SA簽署合同，將在DARPA“蜻蜓”項(xiàng)目基礎(chǔ)上，發(fā)展利用機(jī)器人在太空制造、裝配航天器和太空結(jié)構(gòu)的技術(shù)（“臨界點(diǎn)”項(xiàng)目）。兩個(gè)項(xiàng)目都致力于發(fā)展太空機(jī)器人集成制造裝備。

　　太空機(jī)器人集成制造裝備和3D打印機(jī)制造裝備的一體化系統(tǒng)成為發(fā)展重點(diǎn)

　　2016年，NASA已投資2000萬(wàn)美元，授權(quán)太空制造公司、諾格公司以及海洋工程太空系統(tǒng)公司等，實(shí)施“多功能太空機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)”（Archinaut）項(xiàng)目，旨在研發(fā)裝有多個(gè)機(jī)械臂的3D打印機(jī)，并將其安裝在國(guó)際空間站上，未來(lái)可利用Archinaut的機(jī)械臂，在軌拆卸廢棄航天器上的可用零部件或在軌打印零部件，并組裝新航天器。太空制造公司負(fù)責(zé)制造Archinaut的3D打印機(jī)，海洋工程太空系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)制造打印機(jī)上的機(jī)械臂，諾格公司負(fù)責(zé)為系統(tǒng)工程、電子控制、軟件和測(cè)試等提供支撐。此外，太空制造公司2016年2月稱，5年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)在軌制造和裝配通信衛(wèi)星反射器或其他大型結(jié)構(gòu)。

　　三、發(fā)展模式

　　美國(guó)通過(guò)國(guó)家層面的統(tǒng)籌建設(shè)和發(fā)展，以及政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的協(xié)同創(chuàng)新模式，大力推進(jìn)國(guó)防高端制造發(fā)展，支撐世界一流武器裝備研制，加速國(guó)防制造業(yè)變革，提升制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

　　1.以武器裝備需求為牽引，從國(guó)家層面統(tǒng)籌建設(shè)和發(fā)展

　　美國(guó)將國(guó)防高端制造裝備，特別是重大制造設(shè)施，視為國(guó)防建設(shè)的核心戰(zhàn)略資源，并以武器裝備發(fā)展需求為牽引，從國(guó)家層面對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)籌建設(shè)和發(fā)展。通過(guò)加強(qiáng)管理，加大政府投入，充分發(fā)揮制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)、DARPA、NASA等機(jī)構(gòu)的主導(dǎo)作用，推動(dòng)重大國(guó)防高端制造裝備與武器裝備研制的穩(wěn)步協(xié)調(diào)發(fā)展，保障武器裝備始終處于世界領(lǐng)先水平。

　　2.采取政產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的協(xié)同發(fā)展模式

　　美國(guó)立足國(guó)家大工業(yè)基礎(chǔ)，集中優(yōu)勢(shì)力量，采取政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)模式，進(jìn)行重大國(guó)防高端制造裝備的研發(fā)建造。例如，“增減材混合制造裝備建造”項(xiàng)目由“美國(guó)造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)資助，美國(guó)Optomec公司牽頭，聯(lián)合MachMotion公司、TechSolve公司、洛馬公司以及美陸軍貝尼特實(shí)驗(yàn)室等共同完成。2016年2月，美國(guó)發(fā)布的首個(gè)《國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃戰(zhàn)略規(guī)劃》指出，要發(fā)揮政產(chǎn)學(xué)研用的力量，推動(dòng)先進(jìn)制造技術(shù)與裝備發(fā)展，加速整個(gè)國(guó)家的制造業(yè)創(chuàng)新。

　　3.充分發(fā)揮小企業(yè)的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

　　美國(guó)政府通過(guò)“小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃”，鼓勵(lì)和幫助具備創(chuàng)新能力的小企業(yè)將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，為開展創(chuàng)新提供了良好條件和機(jī)制。例如，根據(jù)計(jì)劃，NASA每年通過(guò)項(xiàng)目招標(biāo)、項(xiàng)目評(píng)估等確定創(chuàng)新項(xiàng)目。這些創(chuàng)新項(xiàng)目的政府投入一般不超過(guò)100萬(wàn)美元，卻能激發(fā)小企業(yè)的潛力。太空3D打印制造裝備就是由NASA聯(lián)合小企業(yè)共同完成的，充分發(fā)揮了太空制造公司、3D系統(tǒng)公司、層系統(tǒng)公司等小企業(yè)的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)。

　　4.注重經(jīng)濟(jì)可承受、可持續(xù)的發(fā)展方式

　　國(guó)防高端制造裝備發(fā)展過(guò)程中，在滿足需求、保證性能的同時(shí)，美國(guó)始終注重裝備制造的經(jīng)濟(jì)可承受、綠色環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展。例如，在發(fā)展世界頂級(jí)攪拌摩擦焊裝備時(shí)，NASA和波音公司注重應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)模式，為制造裝備的升級(jí)改造奠定了良好基礎(chǔ)；盡量使用和改造現(xiàn)有設(shè)備和工藝，以節(jié)約成本；注重可擴(kuò)展性和可持續(xù)性，以滿足三種SLS構(gòu)型第一級(jí)結(jié)構(gòu)的需要；還采用了安全可靠、綠色環(huán)保的制造工藝。