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3D打印数字化制造—问道第三次工业革命

未知 2019-07-18 10:53

  当今世界正处于新科技革命的时代,新产业革命初现端倪,一些重要科技领域显现出发生革命性突破的先兆;新科技革命将依赖现代化进程和国际竞争的强大需求拉动,也必将与新兴产业发展更加密切融合、互相促进。最近一个时期以来,全球学界、商界、政界以及权威性国际组织等,都在议论或讨论所谓的第三次工业革命。恰于此时,东风汽车公司科学技术委员会委员、武汉市汽车行业协会副会长程振彪撰写文章,就世界新一轮工业革命进行了剖析。

梗概:五大支柱支撑新经济社会

  要知道什么是第三次工业革命,首先得看看已经过去的第一次工业革命和行将过去(但目前仍未终结)的第二次工业革命。18世纪,由于蒸汽机的发明和使用,英国纺织业率先实现了机械化,生产力大幅提高,从而开启了世界第一次工业革命的大门。19世纪,基于电力的发明与使用,汽车的诞生,社会生产力又一次获得空前提高,以福特创立的流水线大批量生产方式为重要标志的第二次工业革命由此开始。第三次工业革命概念的首创者里夫金认为,所谓工业革命,必须包含三大要素新能源技术、新通讯技术以及两者的融合。

  按照里夫金的理论描述,第三次工业革命能否实现,关键是要建立起以五大支柱为标志的经济社会基础,并且它们之间要协同发展,不可偏废。这五大支柱是:一是向可再生能源转型;二是将全球每一大洲乃至每个地方的建筑(物)转变为微型发电厂,以便就地收集可再生能源;三是每一栋建筑物以及基础设施中,使用氢及其他存储技术而将间歇式能源存储起来;四是通过能源互联网技术将每一大洲的电力网转化为能源共享网络;五是将交通运输工具转向插电式电动车和燃料电池电动车。

  关于第三次工业革命的提法或定义,当下国内外学界的看法不尽一致。有些人认为,在20世纪中后期,以微电子技术为中心的新科技革命浪潮,造就了一个全新的信息社会和知识经济,在一定程度上已经算是第三次工业革命了。笔者认为,所谓第三次工业革命,就是以新型可再生清洁能源与先进绿色材料为基础、以先进信息技术为平台、以包括这些技术在内的各种先进技术间相互融合与渗透为特征、以数字化制造为先行、以可持续发展为主要追求目标的、完全不同于过去的一种崭新的经济社会形态与发展模式,是一个人们的思想观念、行为方式与过去相比都发生巨大变化的时代。

背景与现状:三重危机叠加倒逼新时代来临

  当前阶段,人类迄今为止的工业文明正处在十字路口。曾经支撑起现代工业化及其相应的生活方式的石油和其他化石能源正日益显露枯竭之象;那些依赖化石能源驱动的技术从总体上看,也逐渐失去了昔日蓬勃发展的强劲之势。更为严重的是,由美国次贷危机而引发的全球金融危机的阴霾尚未散去,欧债危机又接踵而来。也是在这一时期,以化石能源为基石的工业活动而引起的环境污染越来越严重,气候恶化越来越明显,不仅破坏了整个地球的生态系统平衡,而且也越发危及人类的生存。种种迹象表明,人类社会正面临着前所未有的经济危机、社会危机和生态环境危机三重叠加的严峻挑战。

  与此同时,无数科技工作者则把对人类发展前途忧虑的担忧化作实干,力图用知识铸就一把钥匙,打开通往崭新时代的大门。因此,一个时期以来,世界科技进步加快,科技创新活跃,新技术、新成果不断涌现。尤其是信息技术和新能源技术的发展更是日新月异。纵观人类历史,一旦某项或多项科技取得突破性进展而引发科技革命,并且这些科技成果高度交叉、深度融合,全面渗透到经济社会的各个层面,那么新的产业革命和经济革命就将发生。

智能电网与可再生能源比翼齐飞

  世界上的许多有识之士都已认识到,能源作为经济社会发展的重要物质基础,已经成为制约全球经济发展的最大制约瓶颈之一,必须在能源生产和消费方式上实现重大变革。可再生能源的技术突破及普及应用,决定第三次工业革命能否真正建立或成立。现今阶段,虽然可再生能源占整个能源消费中的比例还很低,但增长速度却很快。据英国石油集团2012年6月26日发布的《BP世界能源统计年鉴》称,2011年,全球一次能源消费增长2.5%,其中,石油消费增长不足1%;可再生清洁能源发电量则大幅增长,增幅达到17.7%,其中,风电增长25.8%,太阳能发电更是增长了86.3%。2011年,全球用于可再生能源发电的总投资规模达到2500亿美元,创历史新高。

  存储与传输清洁能源的基础设施智能电网将与可再生能源技术同步发展。所谓智能电网,就是电网的智能化,其是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、控制方法及决策支持技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。其主要特征,自愈、激励、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入等。近来,世界智能电网发展很快。据美国和欧盟预测,在2012~2017年间,全球智能电网基础设施投资规模年均增速将达到17%以上。

数字化制造走出流水线式传统模式

  据国外有关学者认为,现时代世界制造业正经历史无前例的重大变化。具体讲,就是制造数字化将引领第三次工业革命。而这种数字化制造具有标志性的新型生产工具,正是所谓的3D打印机(也被称作堆砌式加工机或材料添加式加工机),其如同人们都知晓的普通打印机一样,一层一层地把构成工件(或物件)材料直接印出来,或者说堆砌出一个产品来。这种工艺方式可取代传统的车、铣、磨等,将颠覆性地改变制造业的生产方式。众所周知,迄今为止,例如制造一个汽车零件,一般先是铸造或锻造出毛坯,留出很大的加工余量,然后经过如上所述的各种机加工工序等而最终形成所要求的产品。这种生产方式可以说是减法制造,即为了获得所设计的零件尺寸及精度,要把多余的材料去除掉。与之相反,3D打印机则是加法制造,零件根本不需要余量,可省略后续一系列的加工工序,既节约材料又缩短了工时,这无疑会给制造业带来革命性变化。据称,只要用电脑设计出模型(3D立体图),3D打印机不仅可以打出各种工件,而且也能生产出诸如巧克力之类的食品。这意味着,3D打印技术的应用领域十分广泛。就现阶段而言,虽然这种3D打印机还未达到制造出一辆完整汽车或一部iPhone手机的程度,但其已被用来生产汽车的某些部件,或者为用户定制iPhone手机的外壳。据有关资料称,在美国波音公司的飞机上,有上万个零件就是由这种3D打印机打印出来的。通用汽车公司全球研发中心的一位研究人员称,未来他们将用3D打印机制造发动机。

  3D打印技术,使经济性地制造个性化、多样性的(单件)产品成为可能,从而也使制造业能够走出流水线式大批量生产方式之时代。此外,这种近乎神奇的3D打印机设备除了具有无人值守的特点外,还可使你在任何地方制造出你想要的东西。在第三次工业革命时代,工厂是这样子的:基本上是按照用户的要求定制;工厂里的机器非常干净,而且几乎都是无人值守;生产效率高,一些汽车制造商比起大约十年前,已经能以同样的人力生产两倍乃至更多数目的汽车;大多数工作将不在工厂现场进行,而是在附近的办公室里,办公室内满是设计师、工程师、IT专家、物流专家、市场专员和其他领域的专业人员。在未来,人们要想从事制造业,就得掌握更多的技能和知识,而不仅仅是体力。

新材料成世界经济新增长点

  新材料是攻克科技难关的物质基础,其在第三次工业革命中的地位和作用主要表现在以下三个方面。其一,新材料本身就是一种高新技术,也是现代高新技术和产业的基础与先导。

  其二,新材料与现代科学技术深度融合,是现代科学技术的组成部分,同时,也可能是制约现代科技发展的瓶颈。其三,新材料对实现可持续发展的作用非常重要。例如,如果说可再生清洁能源是第三次工业革命最关键、最核心支柱的话,那么新能源材料就是其开发利用的基础,没有相应的新材料,这种支柱就建立不起来,第三次工业革命也无从兴起。

  所谓新材料,一方面是指运用新概念、新方法和新技术合成或制备的,具有高(或优越)性能或特殊功能的材料;另一方面,是指对传统材料的再开发,使之性能获得重大改进和提高。当今世界,新材料层出不穷。例如,碳纤维就是一种全新概念的新材料,用聚丙烯腈原丝经过专门的碳化工艺制备而成,其强度是钢的4~5倍,可耐2000℃的高温。该材料被喻为黑色黄金。重量轻、强度高的碳纤维复合材料不仅可作为航空航天结构材料,而且也广泛应用于汽车等交通工具、建材、医疗器械、体育用品等,尤其是在电动汽车上将大有作为。从全球看,新材料的发展趋势主要有以下突出的特点。

  首先,新材料与其他新技术深度融合,形成跨学科、跨领域、跨部门态势。例如高纯硅半导体材料,是当前太阳能光伏材料和电子信息技术的核心材料;以半导体芯片技术为基础的数字化技术已融入现代技术的各个领域与部门,诸如生物芯片、半导体照明、仿生、通讯、遥控、数字化制造、节能等等。

  其次,新材料上下游产业的结合更加紧密。新材料产业呈横向扩散和相互包容之势;新材料与器件制造一体化,上下游产业纵向联合,产业链向下游应用延伸;产品高性能化、功能化和多功能化,开发与应用联系更加紧密。

  再者,新材料更加注重可持续发展。绿色环保、高效、低能耗、可回收、可再生用的新材料以及先进的数字化制造技术是新材料开发与应用的主要方向。

他山之石A:欧洲:以第三次工业革命摆脱经济危机

  里夫金指出,第三次工业革命并不是空洞的理论说教,而是一个比较具体而明确的行动方案。在世界上一些地方,已开始了这方面的具体实践与探索。诸如意大利罗马的生物圈和美国的圣安东尼奥市的绿色商业规划,就是例证。为加快若干重要科技领域的重大突破,世界各主要国家均加大了对科技创新的投入。据有关资料称:在科技投入总量上,全球2008年已跃上万亿美元大关;2010年,世界主要国家研发投入占国内生产总值的比例,美国、德国等已超过2.5%,日、韩更是超过3%。

  一个时期以来,欧盟一直在努力寻找新一轮科技变革的突破口,加强科研攻关力度。其在2010年实施的10年发展规划欧洲2020战略中提出,要发展数字经济和绿色经济,2011年又强调发展先进制造业(尤其是电动汽车和机器人产业)。2011年底,欧盟委员会宣布了经费高达802亿欧元的地平线2020科研和创新计划,实施时间从2014年至2020年。目前,欧洲议会已经认可了第三次工业革命这个概念,并制定了具体的行动方案和计划,尝试以此从根本上摆脱当下的经济危机。

  在发展绿色经济方面,发展可再生新能源是重点之一。欧盟计划在2020年前,可再生能源能够提供20%的电力,同时,将煤、石油等化石能源消耗量减少20%,将生物质燃料在交通能源消耗中所占比例提高到10%;至2030年,将有30%的电力来自绿色可再生能源。在此方面,德国、丹麦等国走在最前列。与发展可再生清洁新能源相辅相成的,是欧洲各有关国家也积极发展新能源汽车。例如:德国计划至2020年,电动汽车总保有量将达到100万辆,至2030年达到500万辆;法国计划至2020年前,使新能源汽车累计产量达到200万辆;英国计划至2015年,电动汽车保有量达到24万辆。除此之外,欧盟还大力推进信息网络建设,提出要加快建设全民高速互联网,实现100%的覆盖率。在物联网的发展上,欧洲工厂和工业领域十分重视统一标准的制定工作。

他山之石B:亚洲:大力创新积极推动新兴产业发展

  在亚洲,第三次工业革命的理论概念,引起日韩等国的极大关注,里夫金不仅成了欧盟推行第三次工业革命计划的首席顾问,而且也成了日韩政府高官及经济巨头们的座上宾,受邀与后者深入探讨第三次工业革命的理论与实践问题。里夫金称,他曾与韩国和日本的商界巨擘,多次讨论过第三次工业革命(计划)在亚洲逐步推进的可行性,并获得他们的认同。与之对话者认为,日、韩两国将成为第三次工业革命的参与者。里夫金还说,第二次工业革命是由西方引领的,但第三次工业革命也许能给亚洲挑头的机会,其中也包括中国。实际的情况是,自世界金融危机发生以来,日、韩都在大力进行科技创新,积极推动新兴产业发展。

  为冲破危机,振兴经济,日本近年来格外重视对以新材料、新能源为代表的新兴产业的扶持。2008年,该国出台了《低碳社会行动计划》,提出大力发展高科技,重点发展太阳能等可再生能源。同年,日本政府修改《新经济成长战略》,提出实施资源生产力战略,为根本性地提高资源生产力,采取集中投资战略,使日本成为资源高涨时代和低碳社会的胜者。2009年4月,日本制定新增长策略,发展方向确定为环保型汽车、电动汽车、低碳排放、医疗与护理、文化旅游业、太阳能发电等。同年12月,该国政府又公布了至2020年的增长战略基本方针,着重拓展有望带来额外增长的六大领域:环保及新能源、医疗及护理、旅游、科学技术、促进就业及人才培养。此外,日本政府还把信息通讯、节能、生物工程、宇航、海洋开发等产业作为发展的重点。该国积极推动用新型科技改造汽车工业,为此提出了关于正式普及新一代汽车的总体战略建议。此总体战略包括三个方面:技术开发战略、制度整备战略和促进普及战略。技术开发战略的最大课题,是开发在性能与成本上,可与汽油汽车相匹敌的动力电池及电动机。

  福岛核事故后,日本被迫调整原有能源战略,将太阳能、风能、地热能、水能、生物质能等可再生能源,作为能源发展的重点。根据该国政府的规划,至2030年,可再生能源在一次能源中的比例,将从现在的10%提高到25%~30%。2012年7月,日本开始实施所谓的FIT计划,就是通过让电力公司,高价收购家庭和民间企业生产的可再生能源电力的方式,鼓励更多资本进入可再生能源领域,以加快可再生能源的应用步伐。而普及应用可再生能源的关键,是建立起智能电网。因此,日本正大力发展智能电网,计划到2030年,在全国全面普及智能电网。

  韩国政府已制定《新增长动力规划及发展战略》,将绿色技术、尖端产业融合、高附加值服务等三大领域,共17项新兴产业确定为新增长动力。规划通过政府研究与开发资金,向26个商业项目共投资1550亿韩元,以支持促进经济发展的新兴产业。在这个投资计划中,韩国的中小企业与大型企业一样,均能在生物制药、机器人技术、脱盐设备、发光二极管、新型半导体、绿色汽车等领域,获得政府研究与开发资金的支持。

对策建议1:补充第六支柱推行科学合理的消费模式

  提出第三次工业革命规划蓝图的根本目的,是保证人类经济社会的可持续发展。里夫金设想的要建立五大支柱,在很大程度上能满足此要求,但还不能完全达到这一目的。

  给第二次工业革命发展前景蒙上阴影的主要原因,除了化石能源储藏量逐渐减少乃至最终枯竭之外,就是在相当大的程度上,由人为因素造成的深度经济危机和生态环境危机。而这些危机又是与人们(尤其是类似美国等先期发达国家)过度消耗和浪费地球上的有限资源有关。在我们这个星球上,就不可再生的资源制约因素而言,人类要想更长久的生存与发展,除了开源之外,就是节流,除此之外而无它途。里夫金正是看到了化石能源的不可再生性,而对第二次工业革命成果进一步应用的强烈制约与约束,才在第三次工业革命的规划蓝图中,提出建立以可再生能源为核心的五大支柱基础设施。实际上,节(约的)能(源)也是清洁(应该说是最清洁)的可再生能源,不仅成本最低,而且永无止境,是最应该提倡发展的一种新能源。如今,正在世界范围内酝酿新的工业革命和人们探寻新的经济发展范式之时,总结与反思第二次工业革命成果过快耗尽十分必要。

  第一、二次工业革命极大提升社会生产力,创造空前繁荣的物质与精神文明,对人类社会的进步功不可没。然而,也不能不看到,伴随着财富的增加,相当一部分人的物欲也极度膨胀,高消费、过度消费在一些国家与地区甚至成为一种时尚或潮流。例如美国,就是全球过度消费和高消费的典型,其人口占世界总人口的比例不到5%,但能源消耗量却占全球能源总耗量的25%,这意味着,美国人侵占了别人应该消费的能源(份额)。另一方面,与沉迷于物欲者的愿望相反,类似于美国的高消费和过度消费,其实并不能给其带来真正的健康、幸福和享受。

  因此,为了使新经济时代的社会根基更稳固,人们必须转变观念,确立如下所述的第三次工业革命之第六大支柱:培育和建立科学、健康的消费文化,创新完全不同于第一、二次工业革命时期的消费模式,大力倡导和坚持一种在物质比较丰富、科技甚为发达之时代的节约、节俭、朴素(实)、精益、在主客观感受上均适度、适中、合理的科学健康生活方式;在经济生产中,必须坚持资源(能源)节约、高效、循环利用,力求效益(率)最大化,消耗最低化,对环境的负面影响最小化,精益生产,精益制造,精益管理。

对策建议2:做好两次工业革命的衔接和过渡

  抓住第三次工业革命的机遇是大战略,目标、方向确定之后,还要有正确的策略与方式,这也是取得成功的先决条件之一。进行这一深刻的经济社会变革,必定是在一个较长的时段内,分步骤逐步实施,务必搞好第三次工业革命与第二次工业革命之间的衔接和过渡,以最低的代价实现转型。比如说,推动第三次工业革命,需要大量投资用于兴建必要的基础设施(如里夫金提出的五大支柱等)。为此,当前还得维持第二次工业革命,不让它现在就立刻死亡,需要利用第二次工业革命的成果,去给第三次工业革命奠基培土。之所以要利用它,并不是要长久的依赖它,而是为了尽早摆脱它(或淘汰它)。基于此思路,现阶段在进行大规模基础设施建设时(尤其是那些大型耐久、耐用设施),应尽量考虑到未来的转型需要,处理好眼前的功能利用和有利于将来可能的技术改造(或技术革新),尽可能使之在未来的经济发展模式之下,不致于完全被淘汰或推倒重来,至少能够利用其中的一部分价值而避免造成巨大浪费。

  在此方面,东风汽车公司在某些领域已进行了新的有益探索和尝试。例如,前两年,东风汽车公司对武汉新总部大楼进行了节能环保技术改造,在屋顶上安装了太阳能发电设施。2012年8月9日,东风本田在武汉新建成的第二工厂,其厂房屋顶太阳能发电系统正式投入使用。这是国内汽车行业规模最大的太阳能应用项目,预计年发电量为55万KWh,可实现年减排二氧化碳550吨,相当于550万平方米森林每年二氧化碳的吸收量。

  现今在世界汽车工业界,混合动力汽车技术之所以备受各方青睐,其中一个很重要的原因,就在于其是一种由传统汽柴油汽车技术向新能源汽车技术过渡的比较理想之解决方案(或称策略),起到过河之桥或渡河之船的作用,能够兼顾和融合汽车技术当前与未来长远的发展。这种可作为汽车平台技术与通用技术的混合动力技术方案,从某种角度上看,其甚至可当作一种哲学(方法)而加以借鉴参考运用,指导(帮助)人们从第二次工业革命迈向第三次工业革命。

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