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域外来风:美国制造业创新正在发生什么?

发布时间:

2017-08-11
文章关键字: 美国制造业回归

  相对于德国、日本以及中国快速崛起的制造业来说,美国是否已经陷入落后?美国曾经引以为傲的制造业是否正在失去他们的竞争力?2011年总统科技顾问委员会对美国制造业(PCAST)存在的问题进行了报告,答案是YES。

  美国如何回归制造业,如何工业再复兴,回答这么复杂的宏观主题,美国的拉开了美国国家制造网络NNMI创新体系的序幕,并且在各地陆续建立了十四个创新研究院。

  规划蓝海产业

  美国制造创新体系非常明确,一是放眼全球市场,提升竞争力。美国人一向以放眼天下和美国老大的思想所主导,其制造业放眼全球产业,NNMI的规划主旨在于通过建立制造创新中心,通过协同效应让美国制造业在相关所定义的领域处于领导地位,具有全球竞争力打造的目的。二是定位于蓝海。不跟其他国家玩低端装备产业,直接面向未来蓝海的先进制造业。也不是大家想象的智能制造——这个对美国未来产业太单一了。

  而且美国为各个创新研究院所设定的目标如果从MRL(Manufacturing Readness Level-制造成熟度指标)来看,其关注点在于MRL4-MRL7,如果我们来解读这个问题的话,可以理解为“关注蓝海”。

  换言之,美国创新研究院不关心纯理论和工程研究阶段的技术,而是聚焦于“制造创新”,即,如何让这些刚刚进入原型或者小批量市场阶段的,但由于初始阶段的成本门槛尚未通过,通过制造创新来降低其成本、提升性能、稳定性等来让其成为更具市场竞争力的技术与产品,这就类似于“尚未大批量、但有着广阔前景”—这就是“蓝海”。

  研究不是美国创新中心的事情,因为那个需要长期见效;而已经进入市场激烈拼杀的红海,美国创新中心也不会介入。干,就只干最有前途的事情。

  图1:通过技术产业化提高美国各个工业领域的制造能力

  图1可以看出,其实就是将整个MRL4-7列入其推动范围—这包括了很多技术的产业化应用的推动,在整个NNMI的推动中,DoD、DoE、NASA、Air Force等,以及为军方提供生产制造的洛克希德.马丁、波音等也参与到了NNMI中并扮演关键角色,这里也包括了“军转民”的因素,因为每年美国的经费投入在军方、航空航天非常大,这些巨大的投入如果可以通过NNMI转为民用,则可以为产业提供巨大的支持。

  制造创新何处聚焦

  不同于德国的工业4.0聚焦于以制造为核心的协同,美国的制造创新体系由多个美国创新研究院构成(目前14个,未来不太确定是否能完成奥巴马所设定的45个目标),而这些中心则可以看出其聚焦点在哪里?

  就美国电力创新研究院PA(宽带隙功率电子制造),由于采用SiC和GaN技术,宽带隙功率电子具有更大的节能空间、体积更小、高功率密度等特点,未来能够为具体的产业提供巨大的市场。美国电力创新研究院的应用包括了在电动汽车领域的AC-DC,DC-AC转换设备、充电设备的效率提升,在工业领域则聚焦于大型的传动设备应用,以及在消费电子领域如手机充电等大的市场应用。

  图2:举例WBG未来将会迎来更为广泛的市场

  来源:IHS

  根据美国电力创新研究院PA的统计,在制造业中60%的能耗来自于传动系统,今天,基于IGBT的电气传动产品已经非常低的成本,因此,中国本土的电气传动制造商已经能够在市场上因为低成本具有了较大的市场份额,但是,未来,在WBG时代,我们是否还能保持领先?更低的功率损耗、更小的体积、高功率密度,可以节能10%左右的空间,这些都是美国PA的突破点,未来,我们还能考低成本领先吗?在电动汽车产业,消费电子领域,如果仅乐于提供组装,而这些核心器件仍然掌握在美国、日本手里。

  如果没有制造业成本的优势相助,中国制造未来颇为堪忧。

  对于先进复合材料创新研究院IACMI而言,其聚焦于汽车减重设计,通过聚合物基碳纤维增强复合材料CFRP来实现汽车重量的降低,以达到58.5英里/加仑的目标,第二个应用市场则是风力发电叶片的市场,第三个则聚焦于CGS—燃料电池、压缩天然气储罐的应用市场,其它则是跟材料本身相关以及仿真设计的技术。

  柔性混合电子创新研究院NextFlex是将印刷技术与电子技术进行融合,进而在柔性材料上印刷电子线路,其聚焦于大的消费电子的可穿戴设备领域,其旨在用于健康监测的巨大市场,第二则是为IIoT提供传感器的设计与制造应用,这些都是较大的应用市场。

  跨界融合才是大创新

  美国创新研究院有两个特点,第一个是聚焦在材料科技,好几个创新研究院的主题,跟材料相关。包括第一个设立的增材制造创新研究院,也是与材料包括粉末颗粒技术紧密相关,第二个显著特征在于跨界融合。例如复合材料创新研究院IACMI融合了材料科技、仿真技术、OEM设备、检测技术、成型等相关的技术,而柔性混合电子制造NextFlex则将电子技术、印刷技术进行了融合。它给我们带来了以下的启发:

  一是创新总是发生在跨界的地方

  通过跨界才能产生新的市场机会,例如宽带隙功率电子PA可以为清洁能源智能制造创新研究院CEMII提供技术支撑,复合材料IACMI和轻量化材料研究院LIFT可以共同服务于汽车减重设计,而数字化设计与制造DMDII,则可以与ARM进行合作。

  二是让传统行业获得新生

  传统的塑料、铸造、纺织、印刷已经趋于饱和市场,竞争非常激烈,而美国制造的创新体系设计让传统的行业借助于新材料、新制造技术的创新焕发新的生命力。例如通过IACMI的复合材料将传统的塑料工业与新的材料融合,而柔性混合电子和3D打印产业也使得印刷行业提供了新的应用场景(轮转印刷机)以及产业的延伸,而柔性混合电子使得电子制造业也可以与半导体、油墨等传统行业进行了融合。

  这种结合,让中国的传统工业产业,如塑料、纺织、印刷、铸造等领域,突然看到了全新的问题解决思路。

  如何通过材料科技、智能制造技术的融合提升中国制造当下的传统产业,美国的创新研究院给了我们很多借鉴,所谓新兴战略产业,并不是自我赋能的,而是要相互赋能。

  三是扭住最具变革性的产业:材料与能源

  在整个制造中的成本划分中人工:机器:材料的构成应该在1:2:7,这表明,在材料方面的改善会带来更大的竞争力,而能源消耗也是机器成本的重要构成,因此,美国制造业将材料作为了重点,其本身具有重大的意义。举个例子如果在时间上精准的配置,可以消除等待时间中的空转能耗,或者通过最优的液压与产品加工的匹配,可以为注塑机提供节能空间,这些技术在注塑机领域已经有了大量的应用。

  美国的制造业是将制造与材料进行结合,而我们中国在材料科技领域的投资也不可谓不大—因为国家对此非常清楚,但是,如何有效的将材料与制造业紧密结合并形成有效的目标推动,则是值得思考的。而国内,许多精力还是聚焦放在了所谓的“智能制造”—跟随制造业领域领先优势明显的德国,以及ICT技术非常领先的美国,来对我们的传统制造业进行升级,而不能在材料、能源领域有非常好的提升,这对于中国制造的未来,将具有先天性、系统性的大缺陷。

  生态系统建设是关键

  美国制造创新体系的设计是一个网络,换言之,是一个“生态系统”,可以从所有的创新研究院的愿景设计中,都可以看到其主旨就是在不同领域构建生态“EcoSystem”。美国制造创新网络NNMI的战略核心是构建生态系统,而不是政府自己大包大揽,希望通过协同来实现整体产业的发展.

  生态系统的意义在于几个方面:

  (1)明确的需求避免不必要的研发浪费—例如走弯路:由End User提出需求,产业进行协同,否则,不同的OEM、材料等厂商各自去研究市场需求,会走弯路。这样可以避免错误的研发方向,节省产业内的研发成本。

  (2)资源的共享:包括测试实验室装备、技术的培训、技术研发信息等。信息的共享也会起到降低研发成本的效应—避免不必要的研发投入。

  通过产业链的协同,资源分享,让整个美国这个领域的制造企业在资源上获得分享降低其自身的成本,整个美国该产业整体的竞争力就会被打造出来。

  关注到构建生态系统,其逻辑在于如何有效的让产业协同,从产业链的上游至下游,通过协同效应来消除美国整个产业的成本、技术领先性等,以使得美国该产业在全球产业链中占据优势。

  图3:举例NextFLEX的生态系统构成

  图3则列举了NextFlex-柔性混合电子领域的创新中心,生态系统构成,由仿真设计、材料、机械、终端用户、劳动力培训机构、协会组织、大学研究机构共同构成生态系统,进而共同分享信息、组织培训、测试、验证实验室等进行整个产业的协同发展。

  生态杠杆效应,也是美国制造创新研究院给我们的启发。

  事实上,美国政府给予每个创新研究院的资金并非很多,其主要目的是想通过杠杆效应,通过产业链的自我驱动来引发投资,用2亿美元的投资,撬动一个10倍或者更大的产业投资,由此投资引发一个10倍或更大的市场。

  这对于对于中国的制造业推动,也有很大的启发。NNMI给我们的借鉴在于如何构建生态系统,花较少的钱来通过协同、杠杆效应来推动企业主动的投资,进而将产业做大。

  专业的组织运营设计

  各个创新研究院详实的前期调研,给我们了非常大的启发。复合材料IACMI、NextFlex等都是由一家Nexight咨询公司进行了前期的咨询工作,包括进行产业专家调研、产业文献整理等工作,确定关键技术路线图,以及设定里程碑,并组织Workshop来培训关联企业的项目申请与流程。

  由专业的咨询公司,组织前期咨询具有很大的优点,一是具有专业性:战略并非是空洞的,而是有其专业的方法论和成熟模式可以借鉴,专业咨询公司可以通过这些方法与模型来提升项目组织效率;二是由中间咨询公司进行的项目调研可以避免过多的利益相关者对制度体系的影响,避免发展为“圈内”人的游戏。

  图4:IACMI由Nexight集团提供咨询服务

  各个创新研究院的目标设定,也遵循SMART原则,具有可量化、可实现等准则,这也是NNMI各个组织所遵循的。例如对于复材创新研究院IACMI而言,其设定的目标即在五年内达到以下目标:降低25%的聚合物基碳纤维增强复合材料的成本;降低50%的CFRP内生能耗;80%的可重复利用率。目标都非常明确。

  在流程设计上,技术路线图的设定非常清晰。各个创新研究院均有清晰的技术路线图、里程碑设计,而且一般都是由专业咨询公司与产业专家共同讨论,咨询公司还提供产业本身的市场分析、对标研究等战略制定咨询。

  图5:NextFlex所需涉及的技术领域及指标

  中国的好多规划,往往路线图不够清晰,要么过于宏观,要么过于文字化描述,缺乏量化数据、清晰节点,而内容的呈现,也缺乏结构性、可视化,例如文字中大量采用平铺直叙的数据描述,而不是采用图表,这也是一种缺乏思维结构性的文风。

  中国发展制造业,可量化的数据,可模型化的场景,是下一步规划可以强调的重点强调。否则,Interner+却不知道要采集什么数据,如何使用这些数据,那么智能制造就是花架子。

  人力资源培养是制造创新的伴随战略

  美国制造创新体系在战略指导中,即将“为制造业培养劳动力”列为了战略的诉求之一,而每个创新研究院的使命设计都包括了对人力资源的培养,这就意味着教育与培训是整个制造业的伴随战略,紧密相随。

  教育是制造业发展的基础与长期战略,通过产业推动教学研究。大学作为非盈利组织提供研究支撑,同时也使得大学可以紧密的与产业实际相结合,避免大学做纯理论而无法将其转化为实际的生产力。以产业推动教育更具有效率,并能够让学生参与其中。

  而在具体的劳动力开发实施,各个创新研究院则各显神通。

  美国增材制造创新研究院AM,组织了大量的人员培训,包括(1)德勤咨询,创建一个3小时增强制造业务相关的在线课程,有超过10000人参与此课程。(2)密尔沃基工学院共同推出3D打印和增材制造认证课程,课程在2015年中期已经有150人通过认证。(3)产业,联合企业以私人捐赠方式提供桌面3D打印给1000家学校,用于科学、技术、工程和机电(STEM)教育课程。

  而数字化设计与制造创新院DMDII,则成立劳动力开发专家委员会来制定为DMDII劳动力开发的战略,定义三个主要的数字制造与设计的关键能力组件:定义在该领域获得成功所需的劳动力技能;通过开发内容、推广以及培训教员来教育;开发并发布应用案例和数字制造思想。这些组件会在项目征集中设立相关申请,便于成员进行组织。值得一提的是,DMDII还跟麦肯锡建立数字能力发展中心DCC。这件事情在中国是跟清华合作,并于今年四月份成立。

  轻量化创新研究院LIFT举办了很多与教育培训相关的工作。

  例如LIFT投资了“任务为中心的”轻型飞行器设计课程,被22个州25000名学生使用。赞助了普渡大学主办的Indy 500 Grand Prix,其活动由高中生参与,通过采用轻质材料来设计、制作、测试并销售其汽车。并在2015年有1000人参与的美国机械工程协会的营地启动了轻质材料与技术的内容给45名教师。

  而为了重建美国先进制造技术劳动力,LIFT与印第安纳Vincennes大学为退伍军人提供制机器培训课程。并投资工业技术与维护工作的行业标准—这也是非常重要的制造业工作岗位,并肯塔基州为大学和技术学院提供成人学徒模式的学习方式。

  不仅包括上述三个,包括复材IACMI举办大量的校园竞赛活动,柔性电子NextFlex在其技术路线图中也包括了教育培训计划作为三大主线之一。目前大家都意识到教育和创新二者的重要性.在人才培养方面,不仅包括大学的培养,包括在职的教育培养,而且需要小心甄别,与当下中国所倡导的智能制造之间有哪些关联?需要哪些能力、专业的升级?如何突破,都是需要去研究的。

  教育是配合制造业的战略主线—这在美国创新体系中的每个创新研究院中都得以体现的,我们如何让学生的学习接近产业前沿?如何让我们的大学更为聚焦于产业应用,而不是SCI、EI这些论文的数量:这并不是创新。精益管理、教育与人才培养,这些都是支撑制造业长期战略的基础实践,如果我们过于急功近利,推动智能制造,那么最终,我们得到的可能会事倍功半。

  (来源:知识自动化)



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