美国先进制造业战略报告，3D打印很重要

文/韩芳  微言创新

为保持美国在制造业的领先地位，美国国家科学技术委员会下属的先进制造技术委员会于2018年10月5日发布了一份40 页的《先进制造业美国领导力战略》报告，提出了三大目标，展示了未来四年内的行动计划。
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2018-10-31 15:21 上传

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主要内容：
该战略提出了三个目标：
1)发展和推广新的制造技术;
2)教育、培训先进制造所需的劳动力;
3)扩大国内制造业供应链的能力。

该战略侧重于新技术的开发和未来劳动力的培训。令人印象深刻的是，该报告将三大目标进行分解，具体到了美国国防部、能源部、商务部、卫生部、自然基金委、宇航局、教育部等多个部门。而国防部几乎参与了所有三个大目标的行动，真是有点包办先进制造业的发展的意思。

八大因素主宰先进制造
影响先进制造技术的发展的因素有哪些?报告中指出八点关键因素：

一是快速发展的技术，与经济因素要紧密挂钩。
二是技术性基础设施和保障需要大力发展。
三是知识产权至关重要。
四是新兴市场、出口和贸易都受到先进制造业的影响。
五是先进制造，是需要贸易政策的保护。
六是稳固的国防工业基础是国家的优先事项。
第七点就是发展先进制造业，优先发展STEM教育(science, technology, engineering, and mathematics)。
第八点，报告对美国的联邦和地方州机构的行政职能，提出了明确的建议。

以下为《先进制造业美国领导力战略》报告主要内容，由上海集成电路技术与产业促进中心工程师韩芳整理，经微言创新(ID：Inno Talk),先进制造业授权发布。

《先进制造业美国领导力战略》报告认为先进制造(指通过创新推出的新制造方法和新产品)是美国经济实力的引擎和国家安全的支柱。报告主要内容包括如下三个方面。

一、影响美国先进制造业创新和竞争力的因素梳理

1、技术的快速发展与经济力量的结合正在改变产品和服务的构思、设计、制造、分配和支持方式。制造业不应与研发，产品设计，软件开发和集成系统，以及为向市场提供有价值的产品或服务而开展的生命周期服务活动等这一价值链分离，而应该彼此紧密结合，共同发展。

2、先进制造业的发展需要大力发展制造业技术及基础设施。但近年来对制造业技术的私人投资大幅缩减，因为投资者关注的是通过基于软件的初创企业实现投资的快速回报。有必要通过政府投资早期应用研究以及公私合作研发的方式来推动鼓励私营部门在先进制造业的投资和创新。

3、可靠和可预测的知识产权是投资先进制造业的关键点。可靠的知识产权和法律体系，有助于有效执行这些权利，激励创新，并鼓励私营部门投资研发。对于先进制造业而言，对知识产权，特别是专利，商标和商业秘密的需求也很重要。

4、新兴市场、进出口贸易都受到先进制造业的影响。新兴市场受到包括智能和数字制造系统，工业机器人，人工智能，增材制造，高性能材料，半导体和混合电子，光子学，先进纺织品，生物制造，食品和农业制造等各种技术的推动。这些新兴技术不仅有助于提高生产力使其他行业更具竞争力，而且其本身的市场每年将达数十亿美元。国家如国际贸易管理局应提供资源帮助美国制造商进入国外新市场。

5、保护和推进美国工业的贸易政策对于美国先进制造战略的成功至关重要。从美国出口的商品中，70%以上是制成品。公平贸易和互惠贸易可以促进经济发展和制造业扩张，通过先进制造业投资开发的新产品可以产生新的出口机会。

6、制造业推动全球经济发展。制造业与基础设施发展、创造就业机会以及国内生产总值(GDP)增长密切相关。

7、坚实的国防工业基础，包括具有弹性供应链的、创新和可赢利的国内制造业是国家头等大事，对经济繁荣和国家安全至关重要。因此必须不断创新，以保持经济竞争力，并为作战人员提供在任何冲突中占据优势的能力。本战略中确定的每个目标和优先发展事项都将支持制造业工业基础，并可作为公共和私营部门投资的指南。

8、先进制造业劳动力需要在科学、技术、工程和数学(STEM)方面做好高水平的准备。STEM教育对未来美国劳动力的发展至关重要，因为其能为学生在教育和工作之间建立强有力的联系，避免教育和工作实践脱节的问题。适当的STEM教育和培训需要从小学贯穿到高中，到技术培训计划，再培训，学徒，高等教育以及获得有效的、行业认可的、基于能力的证书。

9、联邦、州和地方政府必须共同努力，来支持先进制造业。政府应通过投资研发、教育和劳动力发展，在促进先进制造业发展方面发挥关键作用，采用多种途径促进先进制造业等新兴技术蓬勃发展：包括直接投资早期研发，建立有利于创新的政策如限制繁文缛节、允许在美国本土创建和部署技术，建立保护知识产权并确保美国公司在国际市场上公平竞争的贸易政策，具备世界一流的实验室和研究设施，以及努力培养强大的科学和技术人才等。并且，政府投资要注重通过公私伙伴关系，技术转让活动，各方协调以及协作劳动力发展计划在研究和商业化之间建立创新渠道。

二、目标和任务

三大目标为：
开发和转化新的制造技术
教育、培训和集聚制造业劳动力
扩展国内制造供应链的能力

针对每个目标，报告确定了若干个战略目标、相应的一系列需要优先发展的任务。针对每个战略目标还指定了负责参与实施的主要联邦政府机构。

美国先进制造业战略计划概览

三、战略计划的着力点
开发和转化新的制造技术是实施战略计划的着力点，涉及五个方面：


1、未来智能制造系统
智能与数字制造
行动计划：将大数据分析和先进的传感和控制技术应用于大量制造活动，从而促进制造业的数字化转型。优先支持生产机器，流程和系统的实时建模和仿真，以预测和改进产品性能和可靠性;挖掘历史设计，生产和性能数据，以揭示创建它们的专家设计者的隐含产品和工艺技术。制定标准，实现智能制造组件和平台之间的无缝集成。


先进工业机器人
将受益于下一代机器人技术的主要工业部门有航空航天，汽车，电子，生物技术和纺织品。

行动计划：促进新技术和标准的开发，以便在先进的制造环境中更广泛地采用机器人技术，并促进安全和有效的人机交互。


人工智能基础设施
云计算，数据分析和计算建模与人工智能(AI)的融合将成为工业互联网的关键推动因素，制造商可从其他每个制造商的集体经验中提取精确指导。机器学习可以为未来的制造系统提供从类似系统的生产经验中获得所有历史知识的益处。

行动计划：制定人工智能的新标准并确定最佳实践，以在行业内和跨行业提供一致的可用性，可访问性和制造数据效用，同时保持数据安全性并尊重知识产权。优先考虑为美国制造商研发数据访问，机密性，加密和风险评估的新方法。

制造业的网络安全
需要开展新的研究工作来制定或更新标准和指南，以实施制造系统中网络安全的新兴技术，包括用于威胁检测和处理的AI，用于敏感制造信息安全的区块链，以及部署在智能制造中的工业互联网设备的安全性系统。最近开发的量子器件已经显示出容易渗透传统安全措施的潜力。因此，需要在传统和量子域中采用新的网络安全方法。

行动计划：制定标准，工具和测试平台，并传播在智能制造系统中实施网络安全的指南。重点着力于促进美国制造商有更好的网络安全。


2、先进材料和加工技术
高性能材料
使用高性能计算预测材料行为这一新方法将促进降低高性能产品的成本，及提高低成本产品的性能。例如材料基因组计划中的先驱计算方法通过计算先进材料系统在加工和使用中的可能属性，可最大限度地减少目前设计新材料所需要的昂贵且耗时的实验。

行动计划：在材料设计，优化和应用方面，促进材料基因组和系统级计算方法的采用，以显著减少高性能材料的识别，开发，鉴定和缩放生产的设计时间和成本。

增材制造(Additive Manufacturing)
增材制造(AM)指使用三维(3D)印刷和相关技术直接创建结构的能力。AM在制造行业的应用取决于能否可靠地设定加工参数，从而在不同机器和不同地点之间产生可靠和可重复的生产，需要机器/工艺标准化和可靠的组成材料质量。AM创造了一种新的设计范例，设计人员必须学习如何将AM技术融入未来的系统中以保持竞争力。

行动计划：继续推进过程控制和过程监控，以确保AM技术成为可行的生产替代方案。开发新方法来衡量和量化材料和加工技术之间的相互作用，以更好地理解“材料—工艺—结构”关系。建立新标准以支持AM数据的表示和评估，以确保零件质量和可重复性。扩大研究工作，以建立将计算技术应用于AM的最佳实践，包括模拟和机器学习。

关键材料
包括关键矿物在内的关键材料是许多先进技术面临供应风险的关键组成部分，这些技术支撑着美国的能源生产，国防技术，制成品和整体经济。然而，许多关键矿物的生产集中在少数几个国家，缺乏强大而富有弹性的国内生产造成了明显的供应链脆弱性，造成价格飙升和供应中断的风险，威胁到经济和国家安全。

行动计划：推进经济高效的加工和分离技术，降低生产成本。通过研究可能的材料替代品，减少对关键材料的依赖，并通过创新制造工艺开发回收关键材料的方法。这将增强美国以经济实惠的方式开采，加工，精炼，回收和替代关键材料的能力，并减少了对外国资源的依赖，确保了制造商的材料可用性。


3、美国制造的医疗产品
低成本，分布式药物制造
虽然美国制药业已转向具有更高的复杂性和市场价值的生物制作的先进疗法，一些通用药物已外包至印度和亚洲。但考虑到外国供应不上时可能产生潜在的国家安全风险，以及公共卫生需求，仍需要推动制造业创新，以加强那些公共卫生价值高但商业价值低的药品和生物制剂的国内生产能力。

行动计划：扩大国内药物生产能力，以减少药物短缺的风险，并提供具有成本效益，小规模的药物和生物制剂生产。通过提供从实验室到诊所的更快的生产途径，鼓励开发新的疗法和设备。


连续制造(CM)
药物制造传统上是大批量完成的，每批次都要进行大量测试，以确保最终产品的质量始终如一。在批量生产中，原材料成分或加工的任何问题都可能导致整批药物报废或导致昂贵的产品召回。

连续制造(CM)是将制造过程元素集成到一个计算机控制系统中，当原材料输入并流过制造过程时，该系统会不断调节产品流和进行必要的回收。CM是特种化学和制药生产的新生产范例，可提高产品的均匀性，增加可持续性，并实现使用更小，更高效的生产基地生产更多种药品和关键特种化学品的灵活性。CM还可以缩短生产时间，实现小批量的特种药物和按需生产商品药物。但CM的应用还存在很多挑战，采取措施实现药品和特种化学品的持续生产是国家的首要任务。特别是，CM需要研究克服将传感器、处理硬件与控制软件集成的技术挑战，从而达到计算机可从毫秒到毫秒的持续验证产品质量。

行动计划：开发新方法，将当前以“以批次为中心”的制药生产转变为无缝集成的连续单位运营制造生产模式，以保持一致的产品质量。


生物组织与器官制造
确保医疗保健和生物安全技术优势的最大挑战是将联邦政府资助的研发突破转化为可制造的，可扩展的产品，并保留美国境内相关的先进制造设施和专业知识。为可重复和可扩展的组织制造开发流程和平台技术应该是主要关注点。

行动计划：制定标准，确定起始材料，自动化制造流程，以增强生物制造技术，并提出利用患者自己的细胞推进人造组织和器官的愿景。


4、领先集成电路设计与制造

半导体设计工具和制造
需要建立半导体代工厂和相关的设计工具，以使美国的设计者能够获得在先进半导体材料研究中电路设计试验和商业化所需的制造服务。

行动计划：优先考虑确保在国内保留和制造新微电子技术的能力投资。从原型设计阶段开始，研究提供灵活制造能力的方法，以创建新器件和测试新材料。建立更多使用设计工具和国内微电子制造厂的模式。


新材料、器件和架构
摩尔定律达到极限后，需要进一步开发新技术以寻求持续的性能提升，包括3D系统级芯片集成，隧道场效应晶体管，自旋电子学，集成光子学，III-V化合物半导体与硅基器件的集成，以及量子信息系统。板级技术也是一个优先事项，包括集成电子设备的3D打印，芯片键合柔性混合电路(die-bonded flexible-hybrid circuits)和卷对卷制造技术。研究还应包括精确传感(包括时间，空间，重力和电磁)，健康和资产监测传感器，光伏和医疗设备。最后，对量子计算投资依然是优先事项，其是在未来复杂的电子设计和计算能力中保持全球领导地位的关键。

行动计划：优先支持半导体和电子产品研究，并扩大投资范围以包括板级制造技术。


5、粮食与农业制造业
食品安全与加工、测试和可追溯性
先进制造业在农业生产，食品加工和食品安全方面发挥着重要作用。食品供应的安全至关重要，需要改进食品生产实践，以减少不确定性，改进检查，并将可追溯性灌输到供应链中。采用新技术来简化和提高传统制造工艺的质量，改善食品生产，进而有可能提高食品质量，降低安全和营养食品的成本，并改善食品生产的环境可持续性。

行动计划：促进智能和数字制造概念应用到食品制造，包括使用数字成像，自动化，高级检测和数字线程来改善供应链的完整性。


粮食安全生产和供应链
必须将粮食安全视为国家安全的一个重要方面，以加强获得可持续农业和营养食品的机会。先进的食品制造可以帮助保持美国食品供应的高安全性，质量和营养价值。相关的联邦机构将密切合作并参与公私合作，通过共同投资加速食品制造业的发展。

行动计划：通过确保有效和公平分配的强大供应链，支持加强国内粮食生产。 实施下一代质量控制系统，确保所有美国公民都能获得营养安全的食品。

改善生物基产品
对于各种非食品农产品，包括纺织品，建筑材料，生物能源和生物基化学品和材料，需要新的制造方法来降低成本并改善这些产品的功能。创新优先事项包括多产品生物精炼厂，纤维素纳米材料，增值林业产品，受保护农业和其他技术。还有一些对于食品和非食品应用同样重要的制造优先事项，例如从植物育种的数学优化中提高种子产量，提高工厂生产力和弹性，降低加工和转化成本，确保工人安全，并提高整个供应链的效率。

行动计划：在植物育种，基因组学和生物基产品开发的交叉合作处进行研发。调整高通量自动化，以开发和筛选植物特性，例如提高增值产品的产量，提高区域适宜环境中的作物恢复能力。

四、几个关注点
战略报告指出将通过促进美国制造技术开发和转化、培育劳动力及扩展国内制造业供应链能力来扩大美国制造业就业，确保国防工业基础和繁荣经济。并明确提出要采取贸易保护政策促进制造业发展，虽然这一条并未在报告中展开，但在中美贸易摩擦日益升级的现状下，这是一个值得注意的信号。

报告提出不应再把制造业与产品开发整体价值链分离，而是共同发展。并且在优先开发和转化的技术中不只关注智能制造、人工智能、工业互联网、先进材料、连续制药(CM)、半导体等先进技术，也强调了普通药品、关键材料、食品及农产品等技术的重要性。这一态度表明为扩大就业及保证国内供应链安全，美国不再只关注有更高利润的产品设计及高端制造技术，也开始重视一般/低端制造业在其国内的发展。

针对目前私人投资热衷于投资基于软件等投资回报快的初创企业，不愿意投资制造业的问题，报告提出要通过政府投资早期应用以及公私合作等方式鼓励私营部门在先进制造业的投资和创新。报告还强调了知识产权对制造业的重要性，认为可靠的知识产权和法律体系才能有效激励私营部门投资研发制造业。这也是我国在发展制造业时值得深思和采取积极有效措施去改进的方面。

来源：微言创新