第7章 现代制造技术与新型制造业的发展趋势课件.ppt
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1、现代制造技术现代制造技术20102010年年9 9月月电电 子子 课课 件件第七章 现代制造技术与新型制造业的发展趋势7.1 现代制造技术的发展趋势现代制造技术的发展趋势 1. 1. 全球化全球化 世界经济世界经济一体化一体化和市场和市场全球化全球化决定了制造业的全球化发决定了制造业的全球化发展趋势,包括展趋势,包括制造市场、制造企业和制造资源的全球化制造市场、制造企业和制造资源的全球化。未。未来制造产品的竞争力主要取决于六大因素:来制造产品的竞争力主要取决于六大因素:绿色度、成本、绿色度、成本、质量、服务、及时性与个性化(质量、服务、及时性与个性化(G-C-Q-T-S-PG-C-Q-T-S-
2、P),),产品的绿色产品的绿色度将上升为首要因素。拥有上述综合优势的产品必将冲破国度将上升为首要因素。拥有上述综合优势的产品必将冲破国界、占领市场,其制造企业也可成为跨国企业。这是国际跨界、占领市场,其制造企业也可成为跨国企业。这是国际跨国公司的发展史,也将是中国企业成为跨国企业的国公司的发展史,也将是中国企业成为跨国企业的必由之路必由之路。7.1 现代制造技术的发展趋势现代制造技术的发展趋势 2. 2. 知识化知识化 计算机芯片、精密仪器、飞机、轿车等高知识含量的产计算机芯片、精密仪器、飞机、轿车等高知识含量的产品,因其品,因其科技水平高、市场价格高、利润丰厚科技水平高、市场价格高、利润丰厚
3、而成为制造业而成为制造业竞争的竞争的高地高地。中国要想在这些高知识含量的产品竞争中占有。中国要想在这些高知识含量的产品竞争中占有一席之地,就必须在这些高技术领域大力开展一席之地,就必须在这些高技术领域大力开展基础性研究基础性研究,创造更多的拥有创造更多的拥有自主知识产权自主知识产权的的高知识含量高知识含量的产品。的产品。7.1 现代制造技术的发展趋势现代制造技术的发展趋势 3. 3. 信息化信息化 信息化是信息化是数字化、智能化和网络化数字化、智能化和网络化制造的总称。它包含制造的总称。它包含机电产品设计及其生产过程的数字化、智能化和网络化的机电产品设计及其生产过程的数字化、智能化和网络化的高
4、高度集成度集成。智能数字网络多功能集成产品将会越来越多、越来。智能数字网络多功能集成产品将会越来越多、越来越普遍,而且越普遍,而且更新换代会越来越快更新换代会越来越快。7.1 现代制造技术的发展趋势现代制造技术的发展趋势 4. 4. 绿色化绿色化 绿色化即基于绿色化即基于资源节约和环境友好资源节约和环境友好的的绿色可持续性绿色可持续性制造,制造,是一项战略性的是一项战略性的制造理念制造理念,也是一种,也是一种制造模式和制造技术制造模式和制造技术。绿色可持续制造包含绿色可持续制造包含无污染无废弃物制造无污染无废弃物制造、绿色产品的设计绿色产品的设计与制造与制造、废旧机电产品的再制造废旧机电产品的
5、再制造、节能节材制造以及新能源节能节材制造以及新能源装备制造装备制造五个方面。耗能耗材多、污染环境的机电产品和生五个方面。耗能耗材多、污染环境的机电产品和生产过程将会受到市场和法规的制约而逐渐消失或消亡。相反,产过程将会受到市场和法规的制约而逐渐消失或消亡。相反,新能源、节能节材和无污染的机电产品及其生产过程将得到新能源、节能节材和无污染的机电产品及其生产过程将得到更大发展。同时,由于废弃产品的剧增,更大发展。同时,由于废弃产品的剧增,再制造业再制造业将得到将得到迅迅速发展速发展。7.1 现代制造技术的发展趋势现代制造技术的发展趋势 5. 5. 极端化极端化 指指极大或极小几何尺度极大或极小几
6、何尺度或或极端环境极端环境下服役的机电产品的下服役的机电产品的制造。由于人类认识和改造世界的欲望及能力的提高,例如制造。由于人类认识和改造世界的欲望及能力的提高,例如观察宇宙星球需要超大超远望远镜、征服太空需要制造更大观察宇宙星球需要超大超远望远镜、征服太空需要制造更大更快的宇宙飞船、制造大飞机需要更快的宇宙飞船、制造大飞机需要大型制造装备大型制造装备;交通、水;交通、水利水电、矿业、深海工程等需要制造利水电、矿业、深海工程等需要制造更大更先进的机械装备更大更先进的机械装备。另一方面,物理学家观察微观粒子需要超大超高倍显微镜、另一方面,物理学家观察微观粒子需要超大超高倍显微镜、下一代计算机集成
7、电路的发展要求寻找新的纳米制造方法、下一代计算机集成电路的发展要求寻找新的纳米制造方法、机电产品的机电产品的微型化微型化发展要求制造出发展要求制造出更微小的结构及零件更微小的结构及零件。7.1.1 7.1.1 高速高效加工领域发展趋势高速高效加工领域发展趋势 随着工具材料、驱动、控制和机床等技术的不断进步,随着工具材料、驱动、控制和机床等技术的不断进步,高速高效加工高速高效加工不仅获得不仅获得普遍应用普遍应用,并且向着,并且向着超高速方向超高速方向发展。发展。现代现代高速加工中心高速加工中心替代替代柔性自动线柔性自动线已经成为明显的发展趋势。已经成为明显的发展趋势。复合加工复合加工在一次安装中
8、能完成车、铣、钻、攻丝甚至磨削等在一次安装中能完成车、铣、钻、攻丝甚至磨削等不同的工序,高速高效复合加工机床在多品种、单件生产场不同的工序,高速高效复合加工机床在多品种、单件生产场合将有广阔的应用前景。合将有广阔的应用前景。汽车制造业汽车制造业是全球是全球机床消费的最大机床消费的最大用户用户,2007年年占机床消费总量的占机床消费总量的42.78%。汽车制造业未来所。汽车制造业未来所需的加工技术如图需的加工技术如图7-1所示。所示。7.1.1 7.1.1 高速高效加工领域发展趋势高速高效加工领域发展趋势7.1.1 7.1.1 高速高效加工领域发展趋势高速高效加工领域发展趋势 汽车生产系统从汽车
9、生产系统从20世纪世纪70年代的年代的机床专机流水线机床专机流水线发展到发展到2010年由年由高速加工中心组成的可变(可重构)加工线高速加工中心组成的可变(可重构)加工线,能够,能够生产不同品种和不同数量的产品。在可以预见的未来,预计生产不同品种和不同数量的产品。在可以预见的未来,预计汽车动力系统零部件加工技术的发展趋势将是汽车动力系统零部件加工技术的发展趋势将是高速度、高效高速度、高效率和超高精度率和超高精度。分析汽车制造行业所用中型加工中心的高速。分析汽车制造行业所用中型加工中心的高速化与高精化的发展历程,可以预见化与高精化的发展历程,可以预见2015年、年、2025年年的国内、的国内、外
10、的外的性能指标对比数值性能指标对比数值(表(表7-1)。)。7.1.1 7.1.1 高速高效加工领域发展趋势高速高效加工领域发展趋势7.1.2 7.1.2 超精密加工领域发展趋势超精密加工领域发展趋势 超精密加工技术超精密加工技术的总的发展趋势是:的总的发展趋势是: 大型化、微小型化、数控化、智能化大型化、微小型化、数控化、智能化的加工装备;的加工装备; 复合化、无损伤复合化、无损伤加工工艺;加工工艺; 超精密、高效率、低成本超精密、高效率、低成本批量加工;批量加工; 在生产车间大量应用的在生产车间大量应用的高精度、低成本检测装置高精度、低成本检测装置。 超精密加工技术未来的发展趋势如表超精密
11、加工技术未来的发展趋势如表7-2所示。所示。7.1.2 7.1.2 超精密加工领域发展趋势超精密加工领域发展趋势7.1.3 7.1.3 微纳制造领域发展趋势微纳制造领域发展趋势 1. 1. 微纳设计技术微纳设计技术 随着随着微纳米技术微纳米技术的深入发展,的深入发展,MEMS在功能上向在功能上向集成化集成化方向方向扩展,更加追求与扩展,更加追求与IC技术的技术的集成与融合集成与融合。在应用领域,。在应用领域,由惯性器件逐渐向由惯性器件逐渐向光、射频、流体、生物光、射频、流体、生物等器件发展,特别等器件发展,特别是随着是随着尺寸的缩小尺寸的缩小和和功能集成度功能集成度的增加,的增加,MEMS在在
12、BIO-CHEMICAL 领域的优势越来越明显,逐渐在国际上形成了领域的优势越来越明显,逐渐在国际上形成了MEMS的主流,应用的主流,应用前景广阔前景广阔。7.1.3 7.1.3 微纳制造领域发展趋势微纳制造领域发展趋势 2. 2. 微纳加工技术微纳加工技术 1)硅与非硅材料混合集成加工硅与非硅材料混合集成加工技术技术 目前有很多问题尚未得到解决,主要目前有很多问题尚未得到解决,主要是非硅微加工技术是非硅微加工技术中的中的LIGA/准准LIGA技术、技术、精密机械精密机械加工、加工、电化学加工电化学加工、激光激光加工加工等工艺与等工艺与IC工艺不兼容。通过硅与非硅材料混合集成加工艺不兼容。通过
13、硅与非硅材料混合集成加工技术的研究和开发,将制备出含有工技术的研究和开发,将制备出含有金属、塑料、陶瓷或硅金属、塑料、陶瓷或硅微结构微结构,并与集成电路一体化的,并与集成电路一体化的微传感器和执行器微传感器和执行器,到,到2020年将在年将在信息、汽车、生物医药、传统产业改造信息、汽车、生物医药、传统产业改造等领域得到实等领域得到实际应用。际应用。 7.1.3 7.1.3 微纳制造领域发展趋势微纳制造领域发展趋势 2)微纳制造的集成度方面)微纳制造的集成度方面 目前目前集成加工技术集成加工技术正由正由二维向准三维二维向准三维过渡,未来的三维过渡,未来的三维集成加工技术将使系统的体积和重量减少集
14、成加工技术将使系统的体积和重量减少一到两个数量级一到两个数量级,提高互联效率及带宽,提高提高互联效率及带宽,提高制造效率和可靠性制造效率和可靠性。预计到。预计到2020年,年,三维多功能微系统集成加工技术三维多功能微系统集成加工技术将得到广泛应用。将得到广泛应用。 3)微机械加工技术)微机械加工技术 微机械加工工艺技术可微机械加工工艺技术可加工尺度加工尺度越来越小,已发展到越来越小,已发展到微米微米级尺度级尺度,未来有可能在若干加工领域加工尺度达到,未来有可能在若干加工领域加工尺度达到亚微米级亚微米级;可达到的加工精度也越来越高。可达到的加工精度也越来越高。微机械加工技术与超精密加微机械加工技
15、术与超精密加工技术融合工技术融合,未来向着,未来向着超精密微加工超精密微加工方向发展,可达到的方向发展,可达到的表表面质量面质量越来越高。越来越高。7.1.3 7.1.3 微纳制造领域发展趋势微纳制造领域发展趋势 4)纳米压印技术)纳米压印技术 在非主流半导体生产工艺中,特别是陶瓷、高分子和玻在非主流半导体生产工艺中,特别是陶瓷、高分子和玻璃等材料为基板生产器件时,璃等材料为基板生产器件时,纳米压印技术纳米压印技术因其因其成本低、工成本低、工艺简单和可靠性高艺简单和可靠性高而成为取代而成为取代传统光刻工艺传统光刻工艺的良好选择。预的良好选择。预计未来计未来15年内,纳米压印技术将在年内,纳米压
16、印技术将在主流半导体、纳机电系统主流半导体、纳机电系统等纳米制造中得到等纳米制造中得到广泛应用广泛应用。 5)纳米结构的可控自组装技术)纳米结构的可控自组装技术 未来可能在以下领域实现突破和应用:具有未来可能在以下领域实现突破和应用:具有分子识别功分子识别功能能的的新型非共价键中间分子体新型非共价键中间分子体的设计、合成及纳米结构单元的设计、合成及纳米结构单元聚集体行为和自组织排列体系的构建上取得突破;实现以聚集体行为和自组织排列体系的构建上取得突破;实现以生生物分子马达物分子马达为基础的为基础的微纳机器人微纳机器人、功能材料功能材料的应用。在纳米的应用。在纳米结构模块化组装领域实现突破,特别
17、是利用生命过程中已经结构模块化组装领域实现突破,特别是利用生命过程中已经存在的机理进行的存在的机理进行的生物分子纳米结构可控自组装生物分子纳米结构可控自组装在在生物传感生物传感器、仿生、疾病诊断与治疗器、仿生、疾病诊断与治疗等领域取得进展。等领域取得进展。7.1.3 7.1.3 微纳制造领域发展趋势微纳制造领域发展趋势 6)原子级别分辨率纳米加工技术)原子级别分辨率纳米加工技术 2D纳米加工纳米加工的的分辨率分辨率将在将在2025年年达到达到原子级原子级,3D纳米加纳米加工工的的分辨率分辨率则在则在2035年年或以后达到或以后达到原子级原子级,2D和和3D纳米制造纳米制造技术在技术在全彩色精细
18、电子能、超薄监视器、全彩色精细电子能、超薄监视器、TB级存储单元、超级存储单元、超高效汽车和小型燃料电池高效汽车和小型燃料电池制造中有很好的应用前景。制造中有很好的应用前景。7.1.4 7.1.4 特种加工技术领域发展趋势特种加工技术领域发展趋势 1. 1. 激光加工领域激光加工领域 激光加工领域的重点发展方向为:激光加工领域的重点发展方向为: 激光加工激光加工基础理论基础理论:重点研究:重点研究激光与材料激光与材料的的相互作用相互作用,尤其是尤其是强激光诱导的光声光力效应强激光诱导的光声光力效应; 激光加工光的激光加工光的传输、变换、检测与控制理论传输、变换、检测与控制理论及其及其关键关键技
19、术技术; 激光激光三维微纳制造三维微纳制造技术;技术; 面向面向节能减排节能减排的的激光先进制造激光先进制造技术。技术。7.1.4 7.1.4 特种加工技术领域发展趋势特种加工技术领域发展趋势 2. 2. 磨粒射流加工领域磨粒射流加工领域 其重点发展方向是:其重点发展方向是: 硬脆材料复杂曲面硬脆材料复杂曲面零件的零件的高效磨料水射流加工基础理高效磨料水射流加工基础理论及方法论及方法; 精密微细磨料水(气)射流加工基础理论及方法精密微细磨料水(气)射流加工基础理论及方法; 精密微细磨料射流复合加工基础理论及方法精密微细磨料射流复合加工基础理论及方法; 高端射流加工装备高端射流加工装备基础技术;
20、基础技术; 磨料射流加工磨料射流加工废料回收和再利用废料回收和再利用技术。技术。7.1.4 7.1.4 特种加工技术领域发展趋势特种加工技术领域发展趋势 3. 3. 聚焦离子束加工领域聚焦离子束加工领域 聚焦离子束加工技术的重点发展方向:聚焦离子束加工技术的重点发展方向: 聚焦离子束加工聚焦离子束加工基础理论研究基础理论研究; 精密稳定的精密稳定的聚焦离子束加工母机聚焦离子束加工母机开发;开发; 提高聚焦离子束的提高聚焦离子束的加工面积和速度加工面积和速度; 离子束加工的离子束加工的无环境污染或低环境污染无环境污染或低环境污染的绿色加工;的绿色加工; 聚焦离子束聚焦离子束微纳加工技术微纳加工技
21、术的应用领域拓展。的应用领域拓展。7.1.4 7.1.4 特种加工技术领域发展趋势特种加工技术领域发展趋势 4. 4. 电加工技术领域电加工技术领域 电加工技术的重点发展方向是:电加工技术的重点发展方向是: 深入揭示深入揭示电加工过程机理电加工过程机理,在,在机床装备关键技术机床装备关键技术方面方面不断突破;不断突破; 在在微细电加工机理微细电加工机理、过程控制过程控制、电源形式电源形式、工作液循工作液循环系统环系统、电极制备电极制备等方面要持续开展研究;等方面要持续开展研究; 绿色电加工技术绿色电加工技术; 新型新型复合电加工复合电加工技术。技术。7.1.4 7.1.4 特种加工技术领域发展
22、趋势特种加工技术领域发展趋势 5. 5. 超声波加工领域超声波加工领域 超声波加工技术领域的重点发展方向是:超声波加工技术领域的重点发展方向是: 超声换能器超声换能器的研发、设计和生产,未来超声换能器向的研发、设计和生产,未来超声换能器向大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化方向发大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化方向发展;展; 超声振动辅助微细孔加工超声振动辅助微细孔加工技术及其设备;技术及其设备; 超精密超声振动研磨加工超精密超声振动研磨加工技术及其设备;技术及其设备; 超声椭圆振动车削技术超声椭圆振动车削技术及其设备;及其设备; 超声辅助气质电火花铣削加工超声辅助气质
23、电火花铣削加工技术及其设备;技术及其设备; 超声复合加工技术超声复合加工技术及其设备;及其设备; 旋转超声加工旋转超声加工方法及其设备。方法及其设备。7.1.5 7.1.5 未来制造系统的发展趋势未来制造系统的发展趋势 未来制造系统在未来制造系统在520年,其发展趋势也将是年,其发展趋势也将是“精确精确化化”、“服务化服务化”、“绿色化绿色化”,发展过程如图,发展过程如图7-2所示。所示。 7.1.5 7.1.5 未来制造系统的发展趋势未来制造系统的发展趋势 1. 1. 制造系统工程的新理论制造系统工程的新理论 未来越来越复杂的制造系统亟需有效的分析工具,但目未来越来越复杂的制造系统亟需有效的
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