未来制造系列① | 未来制造：引领新型工业化、培育新质生产力的强大根基
写在前面的话
高级副院长
研究领域：未来产业和新兴产业、产业集群发展、园区转型升级
作者：丁国杰
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未来制造代表了未来制造业演进的趋势方向，
是一个国家或地区先进制造能力的集中体现
制造业的发展，产业领域和产业结构是核心本体，是制造业竞争力的重要体现。然而，决定制造业竞争力的关键，则是背后的先进制造能力，先进的制造方式不仅可以提高生产制造效率，同时也是极限制造、精密制造能力的重要支撑，正是一国制造能力水平先进性的集中体现。
智能制造。智能制造是智能控制、智能传感、模拟仿真等智能技术在制造业全环节领域的应用，从而成为实现智能设计研发、智能生产、智能检测以及智能化库存和产品质量管理的一种制造业发展方式。智能制造因其高效的全流程智能化管控，可以大幅提高制造效率、实现精准控制、降低人工成本，从而未来制造的重要趋势，并且是不可逆的趋势。如今的智能制造已经超越了简单的机械设备自动化本身，大数据、数字孪生、AI等技术的应用，使得智能制造走向覆盖虚拟仿真设计、智能装备和柔性生产线的集成应用、数字化的精益管理、一体化计划调度的大模型赋能制造、数字孪生工厂、工业元宇宙应用的新时代。
生物制造。“合成生物，生成万物”， 所谓生物制造，指的是利用菌种、细胞、酶等生命体的生理代谢机能或催化功能，通过工业发酵工艺规模化生产人类所需的化学品和高分子材料的制造过程。随着基因组编辑技术和DNA合成技术的进步，以及以AI的利用为代表的数字技术的发展，生物技术的社会应用正在加速，被广泛应用于制造业、能源、医药品、食品等工业领域。生物制造融合了生物学、化学、工程学等多种技术，具有清洁、高效、可再生等特点，被认为具有引领“第四次工业革命”的潜力，是世界各国竞争的热点。专家表示，生物制造将带来至少三方面的重大变革：重构传统化工的生产路线、替代传统天然产物的获取方式、颠覆传统农业种养殖模式。
纳米制造。纳米制造是指具有特定功能的纳米尺度的结构、器件和系统的制造技术，主要分为两种方向，一种以微制造为基础向其制造精度的极限逼近，达到纳米加工的能力；另一种聚焦在纳米材料。微纳加工领域的研发不仅推动着微电子领域的发展，同时也催生了新型的智能传感器、纳米机器人和微型医疗设备等产业。微纳制造技术作为一种先进的制造技术，具有高精度、多功能性、定制化、低成本和环保友好等多方面的特点。这些特点使得微纳制造技术在通用设备领域有着广阔的应用前景，并有望推动相关产业的快速发展。
激光制造。随着科技和工业的发展,常规加工工艺已经难以满足精密工业的要求，在此背景下,激光技术作为一种高精度、高度可控、无损加工的先进工艺应运而生,包括制造领域中的激光切割、激光焊接、激光打标、激光刻蚀、激光打孔等工艺,以及测量和检验领域中的激光光刻、激光检测、激光控制等，被广泛应用于电子产业、汽车制造、飞机制造、轨道交通和机器制造等行业，是推动精密制造的重要方向。
循环制造。循环制造包括了制造业领域的材料及废料的循环利用，具有非常广泛的内涵，既包括了循环制造的最高形式——再制造，也包括制造业的绿色低碳发展。伴随着应对全球气候变化的一致性挑战，碳中和成为重要的国际趋势，低碳、净零排放和脱碳成为未来工业发展的重要方向。而作为循环制造的最高形式——再制造，在国内尽管发展多年，但再制造技术、旧件回收利用体系以及应用市场始终没有建立起来，但再制造的发展对于有效应对日趋严格的绿色贸易壁垒，非常重要，是未来引领绿色低碳发展的重要方向。
柔性制造。柔性制造一方面指生产能力的柔性反应能力，也就是机器设备的小批量生产能力；另一方面指的是供应链的敏捷和精准的反应能力。柔性制造技术由柔性制造系统（FMS）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造线（FML）和柔性制造工厂（FMF），包括多台全自动数控机床、集中的控制系统及物料搬运系统、工业机器人等组成。柔性制造以“需求触发、个性定制、小批量、多品种、低成本”的优势实现了以需定产、零库存管理，能够有效适应市场需求变化，从而在制造业中的比重越来越高。柔性制造是对传统大规模制造、供应链管理、营销手段的颠覆，在需求个性化时代的重要性进一步凸显。
共享制造。共享制造是一种新型的制造资源配置方式，它是共享经济在生产制造领域的应用创新。共享制造不仅包括生产设备、专用工具、生产线等制造资源的共享，还包括创新能力和服务能力的共享，如产品设计与开发能力、科研一起设备与实验能力以及物流仓储、产品检测、设备维护、验货验厂、供应链管理、数据存储与分析等企业普遍存在的共性服务需求的共享。共享制造对于有效整合生产要素和生产能力、贯通供应链、融通大中小企业具有重要意义，是提高资源配置和使用效率的重要手段。
未来制造涉及的新技术、新设备、新材料、新工艺与新模式，
高度契合新型工业化与新质生产力的本质要求
未来制造代表了先进的制造方式，通过新技术、新设备、新材料、新工艺、新模式在制造业领域的应用，大幅度提高制造业的智能化、精益化、集约化、共享化及柔性化水平，从而赋能制造业转型升级和竞争力提升，是提升工业制造能力的关键。未来制造，既是新型制造方式的代表，本身也构成了以提供未来制造服务的新兴服务型制造集群，从而成为推进新型工业化的重要支撑和新质生产力的重要体现，也是突破制造业发展的基础工艺、基础材料、工业母机、基础软件等领域“卡脖子”的核心关键。
新技术迭代。未来制造涉及大量新技术的应用。智能制造技术、生物制造技术、激光制造技术、纳米制造技术、循环制造技术等都涉及到大量新技术在制造业领域的应用。如智能制造中，涉及AI、大数据、元宇宙、数字孪生等新技术的应用；生物制造中，涉及生物合成技术的研发与应用；纳米制造涉及微纳设备的设计技术、纳米材料技术；循环制造则涉及循环利用技术、工业脱碳、碳捕捉碳封存、再制造等技术。未来制造本身需要先进的技术支撑，未来制造的发展则带动了制造业本身的升级。
新设备更新。所谓“制器之器”，设备是制造业的关键，任何制造业的发展都离不开设备，新设备也是新质生产力内涵中“劳动工具”的变化，是对劳动对象赋能、改变劳动资料的基础。在未来制造中，重点领域均会涉及到大量的区别于传统性能的新设备，这些设备的应用既能够提高生产制造效率，同时，也带动了未来制造设备本身的发展。如典型的智能制造设备，作为“制器之器”的工业母机、工业机器人、协作机器人设备等；激光制造领域中，涉及大量激光器、激光制造设备等；纳米制造领域，涉及到微纳传感器、纳米机器人等设备，并且这些设备都是我们落后于发达国家、大部分处于“卡脖子”状态、高度依赖进口的设备；同时，进一步细分的环节就会涉及到传感器、芯片、关键零部件等。
新工艺提升。凡是改变生产对象的形状、尺寸、位置和性质等，使其成为成品或者半成品的过程称为工艺过程。它是生产过程的主要部分。工艺过程又可分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、装配等工艺过程。未来制造，正涉及到大量工艺的变革，从而成为提升工业制造能力的重要体现。面向未来的制造，通过增材制造、激光制造等技术改良优化制造工艺，3D打印的增材制造工艺也有利于实现定制化的制造等等，而工艺的进步与落后，本身也是一国制造能力的重要体现，我国制造业在很多领域都存在“产品可以生产的出来、但工艺性能无法满足需求”的问题，因此，未来制造涉及的工艺同样非常重要。
新材料延展。未来制造涉及到本身应用材料的变革，如将新的材料应用到制造之中，从而达到极限制造的性能，如纳米材料，微纳制造使极限制造成为可能，被广泛应用于医药、纳米能源等领域；而增材制造和激光制造也在增减材的3D打印方面拓展了材料的延展空间，从而形成了广泛的行业应用；合成生物技术更是催生了大量的合成生物材料，拓展了行业和产品的边界。新材料既是未来制造的重要体现和重要支撑，未来制造的衍生发展也带动催生了新的材料需求。
新模式赋能。与其他几类制造不同，柔性制造和共享制造更多是制造新模式的代表。在企业参与市场竞争的过程中，在技术创新的核心支撑下，还需要商业模式的创新，需要适应市场需求变化的能力、高效的管理能力以及资源配置能力，这就是柔性制造与共享制造存在的意义和价值所在。尤其是我国市场规模庞大、全球个性化需求爆发以及快速迭代的特定场景和背景环境，适应需求的模式创新同样是先进制造能力的重要体现。
未来制造成为世界主要国家战略必争之地，
国内短板差距依然明显
先进制造技术一直是世界主要国家布局的重点领域，世界主要国家在面向长远的国家制造业战略中，均将先进制造技术作为重要方向。如美国2021年出台《先进制造战略》，提出布局清洁和可持续制造、微电子和半导体制造、先进生物制造、新材料及加工技术、智能制造等5项重点目标，提出扩大和丰富先进制造业人才库、拓展教育和培训、加强雇主与教育组织关系、加强供应链互联互通、减少供应链漏洞、加强制造业生态系统。德国2023年通过《未来研究与创新战略》，提出捍卫技术领先地位，提高竞争力；加强从研究到应用的转化，实现基础理论研究与实际应用相结合；对新技术保持开放，并成功实现经济现代化；同时其早期工业4.0计划正是聚焦在智能制造主导的第四次工业革命，也因此成为引领国际制造业能力变革与提升的源头；日本在2022年出台《经济安全保障促进法案》之后，2023年出台“加强与经济安全相关的产业和技术基础行动计划”，提出重点关注算力技术、清洁脱碳技术以及合成生物制造技术等等；英国《英国工业2050计划》将能源效率、制造过程、材料嵌入、制造系统和商业模式五大能力作为提升重点。
而对标国际，我国在先进制造技术方面还要较大差距。从制造产品竞争力本身来看，2023年日本发布的《日本制造业白皮书》显示，以2020年全球市场占有率在60% 以上的品种数量为指标，排名依次是日本（220个）、美国（99个）、欧洲（50个）、中国（44个），我国在制造业产品竞争力方面还有一定差距，这背后折射的正是先进制造能力的差距。从先进制造技术细分领域来看，生物制造方面，美国、欧盟高度重视生物制造研发，布局实施了“生命铸造厂”和“微生物细胞工厂”等行动计划；国外大型公司均投入大量人力和高额资金构建先进的菌种创制研发平台，打造核心菌种竞争优势等。目前，我国生物制造核心产业增加值占工业增加值比重只有2.4%，提升空间很大。激光技术方面，日本占当今世界上工业用激光设备的30%左右，激光加工是日本重要的基础制造技术之一。我国高端激光器依然依赖进口，并非国内不能生产，而是在性能的各项指标上与国际差距明显。纳米制造方面，目前国内规模较大的纳米应用产品主要集中在纳米粉体材料及其相关产品，而纳米生物材料、纳米电子材料及器件、纳米医疗诊断等高端领域产业化规模还很小，主要处于基础研究或实验室应用研发阶段。智能制造方面，目前全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙头公司主导，美国、日本、德国及中国合计占据全球传感器市场份额的72%，我国占比约11%。基础软件方面，国产基础软件在国内的市场份额仅有5%，国产操作系统在国内市场占有率仅为 4%。以最为常见的工业生产控制软件为例，市场份额基本被 GE、罗克韦尔、西门子、施耐德等国外巨头瓜分；在芯片设计领域，EDA 设计软件被 Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics 三巨头垄断；在 CAD 研发设计类软件市场，法国达索、德国西门子、美国 PTC 及 Autodesk 在我国市场的占有率超过 90%。工业母机方面，国际工业母机领域的第一梯队还是日本、德国及瑞士，美国到现在也依旧很强，据前瞻研究院的数据，我国高端数控机床的国产化率依然不到10%。
夯实根基、久久为功，
加强面向未来的制造能力提升战略布局
推动布局国家级示范项目和平台。在未来制造的细分领域，如激光制造、纳米制造、增材制造、循环制造、共享制造和柔性制造领域继续定期遴选国家级示范企业、示范项目和示范平台。设置一定的遴选标准，各地纳入到国家级的项目或平台，在政策上应有一定支持，并加强典型案例的宣传推广，普及未来制造方式，推动相关行业的未来制造创新，带动产业转型升级。
深化未来制造根基的夯实计划。在工业强基计划的基础上，结合未来制造涉及的新技术、新工艺、新设备、新材料以及新模式，深化未来制造根基的夯实计划。加强工业母机的战略布局，推动从0-1的突破，加速国产替代进程；加强基础软件的创新突破，加强基础软件的投入，引导基础软件市场化发展路径，强化知识产权保护，跨界推动国产基础软件生态的构建；加强纳米材料、增材制造、激光制造等技术布局；加强智能传感、微纳芯片、模拟仿真、合成生物等技术突破；实施供应链韧性安全计划，推广柔性、共享等制造方式。在国家大的基金体系中，设立支持未来制造的专项资金，专项支持未来制造的创新。
加强未来制造创新产品应用。在国家级应用场景“揭榜挂帅”机制以及创新产品目录中，将未来制造作为细分领域纳入其中，定期发布场景清单、目录清单。加强政府公共采购，促进政府与企业公私合作，推广未来制造领域的创新产品和服务。搭建供需对接平台，为先进制造方式与制造业企业需求建立对接机制。大力发展面向未来制造的生产性服务业，如低碳环保、检验检测、测试认证、模拟仿真、系统集成、数字诊断等，提升未来制造服务能力能级。
加强未来制造的人才培养。举办未来制造领域的全国性大赛，按照细分领域设置赛程赛事，对于获得国家级未来制造金奖的项目和人才给予支持，评选出一批工匠人才、软件工程师、数字化诊断师等未来制造的关键职业人才。加强未来制造领域的学科建设，建立一批面向未来制造的职业学校、职业教育实训基地、产教融合基地等，培育引领下一代制造发展的专业人才。
1.美国最新版《国家先进制造业战略》，赛迪研究院全文翻译，2022-10-17；
2.全球技术地图，德国出台《未来研究与创新战略》，2023-08-08；
3. 机工智库研究员/石北 檀佳宜，从日本2023年版《制造业白皮书》看全球制造业发展新趋势；2023-07-05；
4.中国经济网，英美德中四国先进制造业战略，2018-10-17；
5.科技与互联，未雨绸缪，中国急需加速补齐基础软件短板,2021-09-08；
6.中研普华产业研究院，中国纳米材料行业现状及发展前景预测，2022-04-08；
7. 中研普华产业研究院，国内外激光产业竞争力差距及对策，2023-09-06
8. 传感器专家网50 年过去了，我国传感器与国外差距竟然还有这么大？2023-12-06
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作者：丁国杰
编辑：龙彦霖
图源：视觉中国
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2024年4月7日 17:50
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