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美国制造业创新研究所概况

撰稿人:王德生


2008年全球金融危机爆发以来,美国将发展先进制造业提升到增强国家经济实力、保障国防安全、确保全球竞争优势的重要战略高度。奥巴马政府提出了“再工业化”和“重振美国制造业”战略。但是,这些战略并非简单地恢复美国传统制造业增长势头,而是重点培育发展高端先进制造业新增长点,以抢占新一轮科技发展的制高点。为此,美国出台了一系列举措,特别是整合政府、学术界和企业界的资源,构建国家制造业创新网络,以“确保新一轮产业革命发生在美国”。这些举措不仅有利于促进美国制造业的复兴,也有助于巩固和加强美国制造业强国的地位。

2012年3月,奥巴马政府出台了与企业、大学、社区共同建立国家制造业创新网络(National Network for Manufacturing Innovation,NNMI)的倡议,提出由联邦政府出资10亿美元,在10年内创建15个制造业创新研究所(Institute for Manufacturing Innovation,IMI)。2013年根据形势发展,奥巴马政府又提出了10年内创建45个制造业创新研究所、组成国家制造业创新网络、布局未来制造业创新增长点的倡议。

作为重振美国制造业战略的一部分,美国自2012年8月成立第一家制造业创新研究所――增材制造业创新研究所(现已更名为美国制造,America Makes)以来,截至2015年12月底,已建成和正在筹建的“制造业创新研究所”共有9家,其中7家已建成,2家筹建中(见表1)。


1 美国已公布的9家“制造业创新研究所”

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资料来源:http://www.manufacturing.gov/,上海科学技术情报研究所整理


1、美国制造

美国制造(America Makes)的前身是2012年8月在俄亥俄州扬斯顿设立增材制造业创新研究所(The National Additive Manufacturing Innovation Institute,NAMII),着重研发和推广3D打印技术等。其中,美国国防部、能源部、商务部、国家科学基金和国家航空航天署等5家政府部门承诺共同出资4500万美元,首笔资金为3000万美元;由俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体出资4500万美元。

这是奥巴马政府提议在全国建立的15个制造业创新研究所中的第一个。已包含超过85家公司(主要包括全球知名特种金属生产商阿勒格尼技术公司,美国应用系统和技术转移公司,全球知名设计软件公司Autodesk,全球知名的3D打印公司 ExOne公司、Sciaky公司及Stratasys公司,波音公司,FMW复合材料,通用动力,通用电气,霍尼韦尔,IBM,江森自控,洛克希德·马丁公司,诺斯罗普·格鲁曼公司,派拉蒙工业/ 3D系统,铁姆肯公司,西屋核电,全球知名照明产品制造商欧司朗)、13个研究型大学(主要包括卡内基—梅隆大学,凯斯西储大学,肯特州立大学,利哈伊大学,宾夕法尼亚州立大学,罗伯特莫里斯大学,阿克伦大学,匹兹堡大学,扬斯敦州立大学等)、9个社区学院(如东捷威社区学院,罗雷恩县社区学院,北安普顿社区大学,宾夕法尼亚大学技术学院,威斯特摩兰县社区大学等)以及18个非营利机构。随着增材制造业创新研究所的建成,扬斯顿有望成为美国未来3D打印产业的中心。据不完全统计,该制造研究所进行的研究项目已超过了20个。

2、电力美国

电力美国(Power America)的前身是2014年1月在北卡罗来纳州罗利建立新一代电力电子制造业创新研究所(The Next Generation Power Electronic Manufacturing Innovation Institute),旨在打造更加智能化、可靠安全、低成本且节能环保的21世纪电力网络。由美国能源部牵头并承诺5年出资7000万美元,参与者包括25家企业和大学及其他非政府组织等,这些参与者将提供7000万美元的配套资金。

电力美国的主要成员包括18家企业,7家大学和实验室。其中,企业包括一些世界领先的宽禁带(wide bandgap,WBG)半导体制造商,世界领先的材料制造商,重要的最终用户(如约翰·迪尔公司、德尔福汽车公司等)。18家企业主要包括:ABB公司、阿肯色(Arkansas)电力电子国际公司、Avogy公司、Cree公司、约翰·迪尔公司(Deere & Company)、德尔福(Delphi)汽车公司、台达(Delta)产品公司(全球知名的电源管理产品生产商)、DfR Solutions公司(电子行业质量、可靠性与耐用性解决方案供应商)、GridBridge公司、黑森机电(Hesse Mechatronics)有限公司、贰陆(‖-Ⅵ)公司(全球知名的光学元件和材料生产商)、IQE公司(硅片供应商)、Monolith半导体公司、RF微器件公司(高性能射频组件以及复合半导体技术设计和制造领域的全球领导者)、东芝国际公司、Transphorm公司、United Si Carbide公司、Vacon集团(全球领先的变频驱动及逆变器产品制造商)。7家大学和实验室主要包括:北卡罗来纳州立大学、亚利桑那州立大学、佛罗里达州立大学、美国国家可再生能源实验室(NREL)、加州大学圣巴巴拉分校、美国海军研究实验室、弗吉尼亚理工学院和州立大学。

电力美国将为企业提供贯穿电力电子供应链的共用设施、设备、测试和建模服务,特别是为小型和中型制造业企业,以帮助它们发明、设计和制造新的半导体芯片和器件。该机构还将为芯片设计和制造商与大型电力电子制造商和供应商提供市场供需配对(如约翰·迪尔公司和德尔福汽车公司),加快这些技术推向市场的速度,并向美国劳动者提供培训、高等教育课程和实习机会,以满足宽禁带半导体产业发展需求,保持美国在该产业领域的全球竞争力。新一代电力电子制造业创新研究所主要聚焦于发展宽禁带(WBG)半导体电力电子技术。在20世纪,硅半导体电力电子,通过控制或将电能转换成可用的电力,深刻改变了计算、通信和能源行业,给消费者和企业带来了越来越强大的笔记本电脑、手机和电动机。今天,宽禁带(WBG)半导体为电力电子产业的发展提供了使用更少的电力、实现前所未有性能的新机遇。宽禁带(WBG)半导体,如碳化硅和氮化镓可以在较高的温度下工作,并具有更高的耐用性和可靠性更高的电压和频率。有了这项新技术,可以把笔记本电脑电源适配器的体积缩小1/5,同时提供更好的性能并降低能耗20%左右。一个典型的笔记本电脑,墙壁插座上输出功率的1/4被以余热形式散失掉,而宽禁带(WBG)半导体可以把这些电源转换损失减少90%。宽禁带(WBG)半导体也将改变插电式电动汽车产业发展,使消费者可以更容易、更便宜的拥有和驾驶电动汽车。如,宽禁带半导体可以把车辆冷却系统的大小减少约60%,并把直流快速充电站缩小到与厨房用微波炉一样大小。此外,宽禁带(WBG)半导体将有助于克服一系列发电、输电、配电和最终使用的挑战,以建设一个更智能、更可靠、更具弹性的21世纪电网。

3、数字制造和设计技术创新研究所

2014年2月,在伊利诺伊州芝加哥建立数字制造和设计创新研究所(The Digital Manufacturing and Design Innovation Institute, DMDII),旨在进行数字化设计、工程和制造等过程的技术和流程研发与应用。DMDII由美国国防部长办公室(Office of the Secretary of Defense,简称OSD)监管,国防部现场活动机构(DoD Field Activities)协助管理。商务部等将提供7000万美元基金,该研究所将通过融资等方式获得2.5亿美元,使整个研究所资金规模达到3.2亿美元。参与单位包括70多家全美顶尖制造商和软件设计商、23家大学或社区学院及9个非营利组织。

数字化制造和设计创新研究所的目标是建立一个国家机构,专注于美国制造业领域的一些复杂问题,并制定相关解决方案,以抵消美国制造业企业采用这些新技术的风险,从而提高竞争力。由于全球竞争力是由哪些产品以极具竞争力的价格进入市场而驱动的,因此,DMDII的工作重点将是在制造业企业范围内利用“数字线程”,高度集成制造和设计复杂的产品,以降低生产成本和时间。减少时间和成本将产品推向市场的能力,是一种政府和行业常见的共同需要。此外,政府和行业还需要一种方法来降低采用新技术的风险。DMDII提供了一个“示范工厂”(Demonstration Facility),该工厂集合了美国利用智能机器开展生产实践的下一代示范企业(NexGen公司)。NexGen公司通过在工厂车间使用敏捷、灵活和可重构操作,开发先进适用产品。在整合信息技术、智能工厂流程(如计算机模拟,先进材料的使用)和复杂的分析等方面,DMDII可能是一个关键的差异化竞争优势。DMDII的构想是美国数字化制造和设计的创新引擎,以及NexGen示范企业产品设计、制造的“测试床”(Test-Bed)。DMDI聚焦的四个核心技术领域包括:先进制造企业(Advanced Manufacturing Enterprise)、智能机器(Intelligent Machines)、先进分析(Advanced Analysis)以及网络物理安全(Cyber-Physical Security)。

4、明日轻质创新研究所

明日质创新研究所(Lightweight Innovations For Tomorrow,LIFT)的前身是2014年2月在密歇根州底特律建立轻型现代金属制造业创新研究所(The Light weight and Modern Metals Manufacturing Innovation Institute,LM3I),轻型金属将主要用于军民两用汽车、机器设备、船舶、飞机制造。国防部主导并承诺出资7000万美元基金,非联邦的配套资金将为7800万美元,研究所资金规模将达1.48亿美元,参与研发并出资的非联邦政府单位包括34家大公司、9家大学和17个非营利组织。

LIFT将重点聚焦商业和国防应用中轻质部件和结构的集成设计和制造。通过试生产和实验测试,验证这些设计。LIFT学院将在四个领域与产业界、学术界和政府开展合作:现有或创新的轻质合金材料生产规模的迅速成熟和展示;缩短设计制造新颖、价格实惠的金属所需时间,包括轻质合金材料(如金属泡沫、蜂窝结构等)和第三代钢产品等;发展更实惠的、更具竞争力的自动化制造流程;有效利用集成计算材料工程(Integrated Computational Materials Engineering,ICME)的基础设施,提升材料设计和制造员工的工具、技能和知识基础。

LIFT所关注的核心材料和制造技术领域主要是:新式合金(如铝及镁基合金等);初级金属制造工艺;辅助生产过程;轻金属产品的开发利用。创建LIFT,长期的目标是创造轻量化产品的市场扩张和新的消费者,伴随着汽车、航空航天、能源、国防和休闲设备等行业的发展,通过成熟和规模化的现代金属产业发展,使美国在全球保持产业竞争力,并成为国家安全和技术的领导者。

5、先进复合材料制造创新研究所

2015年1月,在田纳西州诺克斯维尔建立先进复合材料制造创新研究所(The Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation, IACMI),该研究所由能源部主导,122家企业、非营利组织、大学和研究实验室合作,总投资额为2.5亿美元,其中能源部出资7000万美元,由企业、大学、实验室和非盈利组织组成的联合团体将提供至少1.8亿美元的配套基金。

先进复合材料制造创新研究所将致力于先进复合材料(如碳纤维)的前沿研究,扩大其在轻量汽车、风力发电机叶片、天然气汽车高压罐和轻量、高效工业设备领域的应用。此外,还将制定先进复合材料的低成本、高速、高效制造及回收的具体流程,使其制造成本下降50%,能耗降低75%,未来10年循环率提高到95%以上。该研究所的成员有57家企业,15所大学及实验室,14家机构,36家财团成员。

6、集成光子制造业创新研究所

2015年7月美国第六家制造业创新研究所——集成光子制造业创新研究所(The American Institute for Manufacturing Integrated Photonics,AIM Photonics)在纽约州罗切斯特正式成立。该研究所由美国纽约州立大学研究基金会负责管理,总投资为6.1亿美元,其中1.1亿美元为联邦资金,其余5亿美元为私营投资,为目前制造业研究所中公私合营规模最大的项目。该研究所由国防部主导,始创成员有124家企业以及纽约州立大学研究基金会领导的非营利机构和大学(其中:企业55家;大学和实验室20家;社区学院33家;非盈利机构16家)。

集成光子制造业创新研究所聚集的创新制造技术主要有:(1)网络和电信信号超高速传输;(2)新高性能信息加工系统和计算;(3)紧凑传感器的应用,以实现医疗诊断和治疗的巨大进步;(4)多传感器应用,如城市导航、自由空间光通信和量子信息科学;(5)其他多样化军事应用,如电子战、射频模拟传感、通信和医疗/生物检测。所有研发活动都需要设计、制造、包装、可靠性和测试等领域的交叉。该研究所将整合美国政府、产业和科研领域的力量,改变国内集成光子技术能力分散局面,提高美国国际竞争力,促进大学和中小企业参与集成光子研发和技术变革。

7、柔性混合型电子制造创新研究所

2015年8月,美国第七家制造业创新研究所——柔性混合型电子制造创新研究所(Flexible Hybrid Electronics Manufacturing Innovation Institute,FHE-MII)在硅谷成立。该研究所由国防部主导,总投资额为1.71亿美元,其中7500万美元来自于联邦资金,9600万美元为非联邦资金;柔性技术联盟(FlexTech Alliance)将领导由96家公司、41所大学、14个州和地方政府组织、11家实验室及非营利性机构组成的集团,确保美国在下一代可弯曲、可穿戴电子器件制造业中居于领导地位。该集团联合了美国主要的电子及半导体公司(如:应用材料公司、苹果公司、联合技术公司等)、可将相关电子器件嵌入从医疗设备到超音速飞机等各种平台的终端用户公司(如:波音公司、通用汽车公司等),以及斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工大学等前沿研究机构。新研究所将重点关注柔性混合电子制造业方面的前沿研究,利用高性能的装配和打印技术,在可延展或可穿戴的平台上集成各种硅电路和传感器。

柔性混合电子技术的主要应用包括:①通过可穿戴的电子信息装置,监控生命体征和身体状态,以优化保健和生活方式方面的决策;②通过生物标志和植入装置,大幅改善医疗技术的交付,监控慢性病患者及作战士兵的生命体征;③通过嵌入式传感器,监控恶劣环境下运行的汽车、飞机的状态;④通过在各种陆基、海基、空基、天基系统上应用轻质机器人及下一代成像和传感器能力,提升军事行动的安全性;⑤通过与飞机及其他载具平台外形贴合的电子设备,或者将电子设备集成到衣服和织物中,大幅减小电子系统模块的尺寸和重量。

8、智能制造的清洁能源制造创新研究所

2015年9月,美国能源部宣布投资7000万美元,成立智能制造的清洁能源制造创新研究所(Clean Energy Manufacturing Innovation Institution Smart Manufacturing),重点关注智能制造。智能制造是提高制造业能效的核心信息技术,采用智能通信系统后,从石油天然气到航空航天以及食品生产将更具竞争力,实现实时节能,提高能源生产力。能源密集型行业,如钢铁,生产成本可以降低10%~20%。美国能源部将资助可将技术成本降低50%的研发,如高级传感器、控制器、改进的实时数据分析和控制系统、开放软件和通信平台的开发和规范化、高仿真建模制造等,将这些技术应用到制造流程中,可以使能效提高15%,能源生产力提高50%。

在奥巴马总统的国家制造业创新研究所网络计划下,该研究所是美国能源部资助的第三家,此前两家分别关注新一代电力电子和先进复合材料。每家研究所都采取公私伙伴模式,作为区域集群,缩小应用研究与产品生产之间的距离,为联邦机构、企业、大学和其他学术及培训机构提供在核心领域共同投资的平台。

9、革命性纤维和纺织品创新制造研究所

2015年3月,美国国防部承诺出资7500万美元建立“革命性纤维和纺织品创新制造研究所”(Revolutionary Fibers and Textiles Institute for Manufacturing Innovation,RFT-IMI)。主要厂商、大学和非营利机构组成的实体将形成革命性的纤维和纺织品的技术新制造中心,以至少1∶1的成本份额从企业、公共和私人投资基金带来了超过1.5亿美元。革命性纤维和纺织品创新制造研究所将确保美国在光纤科技、商业化的纤维和纺织品等新产品的前沿创新技术制造链中具有非凡的性能。被称为技术纺织品的这些现代面料和纤维具有轻、防火及坚韧等新颖特性,应用广泛,特别是用于制作消防衣、军用品等。

另据美国白宫2015年10月发布的美国创新战略(A STRATEGY FOR AMERICAN INNOVATION),2015年美国财政已投入6.5亿支持9家制造业创新研究所建设,2016年将投资3.5亿美元支持另外7家新的制造业创新研究所建设,这样在美国奥巴马政府任期结束的2016年底将实现建立15个制造业创新研究所的目标。奥巴马同时呼吁国会通过19亿美元的承诺,支持另外29家制造业创新研究所的建立,实现在10年内建立一个由45家制造业创新研究所构成的完整的国家制造业创新网络(NNMI)的目标。

主要参考文献:

1.The white house. A Strategy for American Innovation[R]. October 2015.

2. DfR Solutions. Next Generation Power Electronics National Manufacturing Innovation Institute[R]. www.dfrsolutions.com

3. DOE.DOE announces $70M for Innovation Institute on Smart Manufacturing; advanced sensors, controls, platforms, and modeling for manufacturing[R]. 18 September 2015.

4. 董瑞青. 美国国家制造业创新学院(四)——下一代电力电子制造创新学院.上海行业情报服务网.

5. http://www.manufacturing.gov/