柳百成:数字化设计与制造是智能制造关键
中国工程院院士，清华大学材料学院、机械工程学院教授 柳百成
9月24日，由工业和信息化部、新华通讯社指导，新华社《财经国家周刊》、工信部国际技术合作中心、华制智能主办，中国企业改革与发展研究会联合主办的2016第二届“中国制造2025与工业4.0全球年会”在北京国家会议中心隆重召开。本次年会以“智能制造体系构建和实施路径”为主题。中国工程院院士，清华大学材料学院、机械工程学院教授柳百成表示，中国制造2025，是建设我们国家制造强国的纲领性文件。数字化设计与制造是智能制造的关键技术。
以下是实录：
柳百成：女士们、先生们，我今天比较聚焦一下，对智能制造总结一个基础环节。我的发言将围绕基于网络的数字化设计与制造展开。首先简单介绍一下智能制造的工程背景。第二，数字化设计与制造是智能制造关键技术。第三，介绍国外发展的情况。第四，讲一下我们国家在设计与制造研究进展。
大家知道早在2004年，我们国家在制定国家中长期规划的时候，我们工程院主持的战略研究，已经提出将数字化设计和智能化设计制造列入了国家的中长期规划。到2007年中国工程院启动了装备制造业自主创新战略研究、关键共性技术。到2013年中国工程院正式启动制造强国战略研究，提出数字化、网络化、智能化设计与制造。在这个基础上，2015年中国工程院开展了网络化设计制造、服务一体化战略研究。2015年国务院颁布了《中国制造2025》，提出智能制造为主攻方向。
下面我简单看一下，中国制造2025，是建设我们国家制造强国的纲领性文件。他吸取了美国德国的所长，又结合了中国的特点，聚焦在五大工程，创新体系工程、智能制造工程、绿色制造工程、工业强基工程、高端装备工程。其中把中国制造工程作为重要工程。在这个基础上我们得到由大变强，今天我们聚焦在智能制造工程。
第二，数字化设计与制造是智能制造的关键技术。智能制造是先进制造技术发展趋势，《中国制造2025》将以智能制造为突破口。智能制造过程是智能制造的重要组成。把它分成四维，大家可以看到，智能生产过程智能制造过程，是智能制造的重要组成部分。这里面把智能制造过程作为重要的部分。在这个基础上我做了简单的理解。智能产品、智能装备，大家谈到比较多的智能模式。我今天着重讲一下，智能制造的过程。而智能制造过程里面，数字化设计知道是基础，智能制造也是智能制造的关键技术基础。
这是美国公布的提出了五个关键。其中包括标准、安全。下面我举一些例子。波音777大家一直公认是数字化的典范，他缩短了研发的40%，更好更快地，更符合要求制造出创新的产品。那么从777发展到787，这里面有一个表达，他是这样讲，波音787是国际上最先进的科技。大家都知道，波音787其中一个主要的特点，复合材料用超热50%，但是这个图告诉我们，波音787还有第二个特点，就是大量广泛采用了数字化设计与制造。比波音777又进了一步，这里面提出来的，我跟大家举了个例子叫四个D。波音787的研发把数字化的设计制造走到了最高点。
下面我就讲一下国外发展的情况。在座来了很多德国的专家，德国的情况我不敢班门弄斧。去年我去美国考察，一直跟踪美国的智能制造。我下面着重讲一下美国的情况。美国很早就提出来把产品设计一体化，他提出一个口号叫一次产品开发成功。大家知道过去我们有个叫606，做了606次的实验做成。现在提出来了，有了信息化，有了数字化一次研发成功。他一次研发成功的观点在产品设计的时候，考虑到产品的制造。在产品的制造的同时，同时就是并行的。
下面我举几个例子。美国在2006年美国先进计划研究所简称叫DARPA，提出加快材料的研发周期。一般的一个材料研发成功到应用，比如航空飞机的起落架需要12年的时候。因此现在提出要加快，他提出个口号，在这个地方。就是用信息化技术、塑造技术把研发的技术缩短一半，研发成本缩短一半。这个地方很清楚，这是原来的研发12年，通过了加快了就改成了6年。下面我举一些例子。比如这是一个航空发动机的涡轮盘，涡轮盘它可以做到工艺的模型，组织的模型，最后到新的模型。下面我举个例子。我们国家刚刚成立了航空发动机公司，新华社专门做了报道，要提出一个新的航空发电机要几十年的时间，如何加快？用到数字化、网络化，最后到智能化。譬如航空发动机里面有两个关键零部件，按照原来的副部长讲的，叫一盘一片，一个是航空发动机的高温叶片，用了工艺模拟、到性能的预测，它的缩短周期。第二个离子就是它的涡轮盘，航空发动机的涡轮盘，它也工艺模拟、组织模拟、到性能模拟。
不仅是美国，那么英国罗—罗公司是欧洲的研究航空发动机的主要的公司。他早就提出来了，叫全流程建模与仿真技术，请大家注意，罗—罗公司和剑桥整个的联合，前期的工作由研究院进行。通过全流程的模拟产学研相结合，大大缩短了研发的周期。
下面我再简单介绍一下美国最近的进展，2011年6月，美国宣布起动先进制造伙伴关系计划。到了2013年，它启动了一个叫国家制造创新网络。NNMI，我刚看到材料，以为就是搞一个网络，实际上不是，它是由一批制造创新研究院组成，计划建15个，总的计划建45个。上个礼拜，美国政府又把国家制造创新网络用了一个更为鲜明，更简介让大家易懂名字。叫Manufactvring USA。制造业—美国。
下面请大家注意，美国2016年已经成功建了9所制造创新研究院，其中3所与智能制造有关。美国在发展先进制造，特别重视智能制造，智能制造不是唯一重视的。他已经建了三个。另外他刚刚宣布今年9月份，正在建立第10个工业机器人。他重点放在制造的工业的机器人上面。那么这上面请大家注意，美国制造创新研究院具有四大特点。第一就是非盈利机构，为大众小企业服务。第二，从事成果可以共享，而且组成了产学研的联盟。
我以今年6月份在洛杉矶刚刚建立的第9个创新研究院为例。它是由200多个企业、大学、研究院所组成创新联盟。而且它总部在洛杉矶，成立了4个分中心，遍布美国全国30几个州。它是一个国家层面的，为大众小企业服务，遍布全国45个分中心。这个创新研究院的重点聚焦先进的传感器。数字化的控制，包括航空，最后还包括一个平台。他的目的就是要从根本上降低研发成本，来提高美国先进制造业的效率。
我再举这个例子，美国成立的第三个研究所，它叫做数字化设计与制造研究所，这个研究所它的解读，它的研究任务就是要从设计与生产过程、测试过程一直到销售，整个的要把它连起来，全部的数据连学，这里面他讲了，就是它是叫数据要非常流畅的在每个阶段能够运行。它能够做到产品在最好的时间，最好的地方能够做得更好，做得更快，而且又非常的便宜。而且最后的口号就是更为有竞争性。那么这个研究所它的取名叫数字化设计与创新研究院，它有个宣传材料，这个宣传材料最后真正实施了整个的流程，全面的数字化和交换，也就是一般人把它可以叫做智能制造。
那么下面我再举几个例子，在创新研究中间，美国2005年研究波音767，一个风动实验做了100多次。现在研究787只要11次实验。下面第二个例子，美国通用电气，做航空发电机的，它用10000个处理器组成的高性能计算机，我们国家有很大的优势。他在商业上的运行，模拟和优化了发动机的喷嘴设计，大大提高发动机的效率，降低了成本。这个喷嘴的研发，它用大规模的模拟仿真，大大降低成本，减少了污染，降低了油耗等等。这是美国在设计制造研究方面取得的最新的进展。那么下面我还可以补充一下，每个通用电气公司在用数字化设计基础上面，马上连了生产制造，做高温的喷嘴，它用方法直接金属激光的方法DMLM方法。寿命提高了5倍。我下面的例子，这是它的喷嘴。下面这个图就是在做喷嘴的生产制造。那么这个因为它的批量并不是很大。因此这个产品每个通用电气公司把它作为一个生产，而不是一个原形开发，它已经成立了县，每年几千个喷嘴全部他来供应。
因为时间关系，简单我讲一下，我们国家在数字化设计与制造方面也有一定的基础。第一，我们国家包括工信部多次强调，工业化跟信息化深度融合，来促进推动制造业的发展。那么我举几个例子。第一个离子早在2000年，这是长江三峡的叶片，原来完全依靠进口。中国二重采用了国家自己研发的软件，这个叶片一次试制成功。新华社专门做了报告，打破了这个叶片垄断的技术。第二个技术，鞍山钢铁公司引进了美国的设备，由于经费有限，他的设备自己做。因此联合国内清华，我们一次试制成功，这是218吨的试钢件一次研发成功。同时在11个月内做了基架，为这个企业节省了1个亿。
大家知道航空发动机的关键零部件，我们正在和北京航空材料研究院，我们和黎明航空发动机集团，针对航空发动机叶片进行模拟仿真，原来的工艺，采用了新的工艺以后，就大大地提高了质量。两个颜色表示缺陷，我们做了新的工艺以后，提高了质量。这是航空发动机涡轮盘，也是航空发动机研究院清华联合做，为我们国家大飞机发动机的制式。
另外大家知道，我们国家大力发展清洁核电，核电一个关键是地下转制，它需要的钢钢锭大约500吨，这样的工艺必须一次成功。所以采用了模拟仿真技术。我们采用了模拟仿真技术，可以把缺陷消灭在虚拟的限制里面。最后提出优化工艺方案。
大家都讲到了数控机床，实际上数控机床以外，我们还可以做模拟仿真。它能够做到预测加工的尺寸精度。特别是它要预测加工以后，这个零件表面的残余，这个残余决定材料最后的寿命。所以现在要通过设计制造，不仅把零件做出来，而且要做到零件的尺寸进度以至于寿命。
另外可以告诉大家，2013年，为了迎接智能制造，工程院启动了网络化数字化设计—制造—服务一体化项目。在这个方面，他们做了初步了的成见。比如说航空工业，飞机从设计到首飞比传统周期缩短了一半。另外汽车工业信息的网络化数字化平台研发也取得了进展。下面有几个例子。第一数字化发动机，请大家注意，第一，数字化记忆。第二，它本身到数字化加工和生产，他提出数字化发动机的口号。这是东风汽车厂，他也是提出了商用车的平台，这个平台从商品规划、设计、实验到整个全流程的建模与仿真。
最后我讲个结束语。实施《中国制造2025》，智能制造是主攻方向。我还提醒一下，我们是五大工程，我们还要补短版，工信部也正在专门研究如何补短板。第二数字化设计与制造是智能制造过程关键共性技术。第三，基于科学或知识的建模与仿真是数字化设计与制造的基础。
美国的工业发达国家十分重视发展智能制造。我刚才讲了，他建10个研究院其中有4恩个就是智能制造。那么他的重点就是要建一个智能制造国家创新中心，为大中小企业提供共性技术服务和平台。我国在基于网络化的数字设计制造领域已经具有较好的技术基础。我们要充分认识到全面实施智能制造，仍然是任重而道远。去年我曾经听过西门子总裁做过的报告，他用了一句话，我们走在智能制造的道路上。谢谢大家！