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材料才是新制造的大明星 | 美国制造创新中心系列解读(6)

发布日期:2017-03-29

      导读: 作为美国第五个成立的IACMI(先进复合材料制造创新中心),它留给我们的思考,却不限于材料本身。而是一个顶层的创新中心设计,需要思考三个问题,如何构建一个产业生态系统?如何建立一个高效运行的商业系统?还有,如何设定复合材料未来应用前景与目标?

 

OFweek工控网讯:国“再工业化浪潮”中的主角。定睛看去,材料是美国制造创新最为热闹的领域。


一个创新研究院,连接一个生态系统。美国IACMI正在走向这样的道路。



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与轻质材料创新中心LIFT不同,IACMI主要聚焦于先进复合材料的制造,为了更清晰地了解为何要聚焦于此,我们有必要了解一下IACMI所瞄准的工业领域,汽车、CGS储罐、风力发电叶片这都是几个非常重要的市场。本文从汽车应用开始说起。


福特说了,减重!


事实上,减重设计自一开始,就伴随着汽车行业的发展。亨利.福特早在1922年就说过如此惊人的话语,“过重将扼杀任何自动车辆”。他进一步咆哮道,“有很多关于重量的愚蠢想法—任何人建议说该增加重量或增加一个部件的时候,我都会寻找降低重量和消除部件的方法”。


这样的想法,在将近100年之后,仍然回荡在美国制造业的上空。


2012年奥巴马政府宣布了严格的车辆燃烧效率标准,要求美国的车辆在2025年油耗标准达到平均54.5英里/加仑。如此苛刻的目标,减重设计将成为提高运输设备能源效率的重要手段。


例如,10%的汽车重量的降低,对于传统的内燃发动机而言会带来6%-8%的能耗效率改善,而对于电动汽车而言则可以达到10%以上。


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图1-不同材料的单位刚度与强度


来源:剑桥大学

如图1所示,在同等强度下,与钢组件相比,复合材料可以明显降低重量。例如,采用玻璃纤维增强树脂基复合材料可以降低25-30%,而采用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP),则可以将重量下降到惊人的60-70%。

 

图2同样显示了各种材料在汽车减重设计中的变化及预测,越来越多的轻质材料被用于让汽车变得更轻。


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图2-汽车减重的材料构成变化

来源:U.S DoE,2010

如果成本和制造难题可以被解决的话,碳纤维增强树脂基复合材料具有最大的减重潜力。这也是IACMI为什么会聚焦于此,并以降低其成本与制造难度为目标的原因,图3显示了其三大目标。


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图3-汽车产业采用CFRP技术的三大目标

来源:IACMI  2016

这是一个再次改变汽车面貌的时刻。


倒吸凉气看背景


2015年1月,美国前总统奥巴马宣布成立复合材料创新中心在田纳西成立州正式成立,“开发比钢更轻更强的材料”,成为奥巴马的豪言,“这个中心将成为122个公-私合作伙伴共同的家,他们将共同构建团队来”。


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图4-2015年奥巴马总统宣布IACMI成立


“减重对于我们的未来至关重要”,随后,副总统拜登也紧接着在底特律IACMI的实验室开幕式喊道,“如果我们想拥有21世纪的创新,复合材料是促成这一目标实现的重要条件,这就是为什么我们4000万美元投资于位于底特律的IACMI的原因。”


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图5-2015年美国副总统拜登为IACMI底特律汽车复合材料中心揭牌


 

IACMI是NNMI的第五个制造创新中心,由美国能源部下属的先进制造办公室予以支持,获得了来自产业、州、大学以及其它伙伴的资助。IACMI属于公私合作性质,旨在提高美国国内生产能力,发展制造业以及创造美国复合材料工业领域更多的职位其,将聚焦在如何降低复合材料的成本、能耗以及其可回收利用的特性,主要包括纤维增强复合材料FRP,尤其是碳纤维增强树脂基复合材料CFRP。


这些材料广泛应用于工业领域,具有巨大的市场潜力。IACMI将帮助美国产业界实现成本与生产率的目标,不仅包括更低的能耗和温室气体排放,也包括加速纤维增强树脂基复合材料(FRP)整个寿命周期的能耗效率目标—产业应用聚焦于交通、压缩气存储和风力发电。


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图6-IACMI聚焦五大技术专题


来源:IACMI,南山工业书院整理


IACMI支持5个技术专题,如图6所示,一个是三个具体的应用领域,汽车工业、风力发电领域、压缩气存储CGS。还包含两个交叉学科:设计/建模/仿真、材料加工工艺。


为此,IACMI正在开发技术路线图,以识别在复合材料制造方案领域特别重要的,且对达成IACMI目标必要的技术与主题。


精心挑选的区域布局


IACMI主要以区域进行划分,其分布在产业较为密集的几个区域,包括科罗拉多、密歇根、俄亥俄、田纳西这些地区。


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图7-IACMI的成员分布


来源:IACMI


从图7的地图上可以看到:


☆汽车生产大于70%都位于IACMI所在的州;


☆汽车研发的70%设立在密歇根地区


☆科罗拉多地区有比其它任何州更多的叶片设施(工厂及技术中心)


☆NREL是在科罗拉多的风力发电机


60%的压缩气体设备制造在距离IACMI聚焦的区域半天的车程内。


这里可以看到IACMI的特点是围绕着区域进行聚焦的,这些地区有着明显的产业分布特征。这给了我们一个意味深长的启发。创新中心一定是因地制宜、就地取材。


贴近本土的产业集群,才是创新中心最好的诞生之地。


 

那些五花八门的成员呀

IACMI的成员,可以说是五花八门,包括了大型的终端用户,如波音、洛克希德.马丁、大众汽车、福特汽车、陶氏化学、BASF、Dupont,这些企业分别属于化学、材料、汽车、风电、天然气储罐等各个领域,包含了用户、OEM制造商、服务厂商、学术机构,图8显示其结构。


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图8-IACMI成员构成(截止2016年底)


来源:IACMI,


如果说五花八门就是物种多样性的话,那么IACMI的本质是生态系统。将这些生态链上的企业都聚焦起来,由创新中心组织专家进行项目的协调。值得关注的是,政府在其中扮演的角色本身是比较弱的,仍然是以非盈利的中立组织来进行专业协同。而协同效应主要体现在以下几个方面:


(1)终端用户的研发需求直接上位


需求被直接的导入到相关企业:对于一个研发企业而言,最为重要的是如何获得客户需求,这样会降低本身的研发成本,避免走弯路也是研发成本的节省。


(2)资源的分享


对于一个公司而言,有些研发是非常必要的,但是,对一个产业而言,每个相类似的公司进行了相关的研究而不向其它人公开的话,这个研发成本的投入就会产生叠加为整个产业的研发成本,因此,通过IACMI,避免重复的研发投入也会带来整个产业成本的下降。


(3)军转民


美国政府每年在国防部、NASA、Air Force研发投入巨大,形成的技术、知识如何转化为民用,是美国军民一体的巨大先天性优势。这使得已有的研发投入所获得的结果,可以被整个美国产业链内企业所分享。


产业生态系统是IACMI的本质,其旨在在降低“美国该领域的整体产业成本”,进而提升美国制造业在该领域的研发成本,获得更大的竞争力。


处处都见马步功夫


IACMI技术路线图的预研与设立,给了我们巨大的启发意义。IACMI的设立由知名的咨询公司Nexight集团为其提供前期的预研与调研,Nexight进行了前期文献综述、专家访谈、企业访谈、IACMI内部Workshop一系列活动对IACMI的目标、每个领域所遇到的挑战、里程碑的设定、高优先级开发项目等全程参与,如图9。


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图9-IACMI路线图设计过程


信息:IACMI


IACMI有两次重要的Workshop,这些Workshop聚焦于如何为项目设定里程碑,以及包括关键技术突破、项目申报等的培训,以使得每个IACMI成员公司可以充分了解组织的目标、推进各自的研发与资源分享。


在这个方面,IACMI邀请了Nexight集团为其进行前期咨询服务。这种针对产业的专业研究,的确需要专业的公司来实现,因为咨询本身就是一种具有其自身的方法论与工具的服务项目,其也有专业性,包括这类战略性规划的制定。依靠于专家的个人经验固然是非常重要的,但是依赖于如何设计流程、评估可行性、以及使用规范统一标准的评估方法、建模这些也同样是“术业有专攻”。


这个对于中国的产业规划、区域经济发展等协同自然也是非常必要的。


后记


在已经成立的14个制造业创新中心中,材料赫然占据三个,包括复合材料、轻型材料LIFT和AFFOA智能纤维与材料。考虑增材制造中,材料也是一个重点。那么如此看来,美国制造创新网络,在“材料”这方面是投下重兵围剿。


就在一个月前,国家新材料产业发展专家咨询委员会成立大会在北京召开,国务院马凯副总理成为领导小组组长。这是一个值得振奋的信号。此一刻,仔细端量美国材料创新中心的生态本质和运行机制,更是箭在弦上的事了。


注:本文为南山工业书院NNMI尼米工作组研究成果,致力于研究美国制造业创新中心的解读。本内容得到赛迪研究院的支持。



来源: 知识自动化




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