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美國國家制造創新中心NNMI給我們制造業的啟示

時間:2019-07-23來源:宋華振公眾號《說東道西》

導語:NNMI不關心純理論和工程研究階段的技術,而是聚焦于“制造創新”,即,如何讓這些剛剛進入原型或者小批量市場階段的,但由于初始階段的成本門檻尚未通過,通過制造創新來降低其成本、提升性能、穩定性等來讓其成為更具市場競爭力的技術與產品

自去年林雪萍老師邀約我們一幫自認為“有情懷”的青年組織南山工業書院,第一個任務就是讓我們研究美國國家制造創新網絡NNMI-我做這件事情還有其它想法—畢竟我的工作也需要研究一下產業市場,就一起混合著想法來看一些NNMI的資料,當然,我的任務是研究一下IACMI-先進復合材料制造創新中心、NextFlex柔性混合電子制造創新中心,后來又有一個PowerAmerica寬帶隙功率電子,因此,研究了三個,給我很多觸動,因此,也就花費了時間多找了些相關產業的資料,多到我也沒時間看。

美國的NNMI的確給了我很多觸動—僅就目前快速瀏覽的資料就給了我很多沖擊,美國的制造業可能會給我們中國的制造業、產業、產業創新中心、研究機構、教育機構都會有啟發,值得去深入研究。

想想我自己的公眾號都2個多月沒有內容了,我就和林老師申請這篇我自己的感想就發布在自己的公眾號吧!原本按道理,應該是發布在南山工業書院的公眾號的。不過,林老師也沒什么意見。

一、目的清晰

顯然,2008年下半年的金融危機使得美國經濟受到了重創,開始反思其產業發展,而PCAST也對全球的經濟進行了研究,發現相對于德國、日本以及中國快速崛起的制造業來說,美國已經陷入落后,美國曾經引以為傲的制造業正在失去他們的競爭力,這對美國的就業、經濟發展的可持續性帶來了巨大的沖擊,因此,美國提出了回歸制造業的口號。

2011年總統科技顧問委員會對美國制造業(PCAST)存在的問題進行了報告,2012先進制造伙伴關系指導委員會(AMP)也認為美國企業在制造業技術轉換的技術以及經濟上的限制使得美國制造業發展受限,并且,美國希望能夠在制造業全球競爭中獲得領導地位,2012年建立了第一個制造創新中心-AmericaMakes,并于2014美國眾議院修改通過了《振興美國制造業和創新法案2014》,將對《國家標準與技術研究院(NIST)法案》進行修改,授權商務部部長在NIST框架下實施制造業創新網絡計劃--NNMI,在全國范圍內建立制造業創新中心。在此之后相繼成立了多個MII-ManufacturingInnovationInstitute制造創新研究院,負責具體的產業運營。

1.放眼全球市場,提升競爭力

美國人一向以放眼天下和美國老大的思想所主導,其制造業放眼全球產業,NNMI的規劃主旨在于通過建立制造創新中心,通過協同效應讓美國制造業在相關所定義的領域處于領導地位,具有全球競爭力打造的目的。

目標在于提升美國制造業的競爭力將技術轉化為制造能力的提升,并創造廣泛的商業價值加速先進制造勞動力的開發構建有效的運行機制確保可持續發展。

2.定位于藍海

從NNMI的各個MII所設定的目標如果從MRL(ManufacturingReadnessLevel-制造成熟度指標)來看,其關注點在于MRL4-MRL7,如果我們來解讀這個問題的話,可以理解為“關注藍海”。

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圖1-TRL/MRL定義

也即:NNMI不關心純理論和工程研究階段的技術,而是聚焦于“制造創新”,即,如何讓這些剛剛進入原型或者小批量市場階段的,但由于初始階段的成本門檻尚未通過,通過制造創新來降低其成本、提升性能、穩定性等來讓其成為更具市場競爭力的技術與產品,這就類似于“尚未大批量、但有著廣闊前景”—這就是“藍海”,研究那不是我NNMI的事,因為那個需要長期見效,而已經進入市場激烈拼殺的紅海,我們也別管了,咱就干最有前途的事情—顯然,這樣的事情值得投入。

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圖2-通過技術產業化提高美國各個工業領域的制造能力[1]

圖2可以看出,其實就是將整個MRL4-7列入其推動范圍—這包括了很多技術的產業化應用的推動,在整個NNMI的推動中,DoD、DoE、NASA、AirForce等,以及為軍方提供生產制造的洛克希德.馬丁、波音等也參與到了NNMI中并扮演關鍵角色,這里也包括了“軍轉民”的因素,因為每年美國的經費投入在軍方、航空航天非常大,這些巨大的投入如果可以通過NNMI轉為民用,則可以為產業提供巨大的支持。

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圖3-舉例:WBG未來將會迎來更為廣泛的市場(來自IHS)[2]

圖3是一個例子—WBG是其中一個MII-PowerAmerica所需推動的市場,來自HIS的報告可以看出,WBG所推動的SiC和GaN在未來的產業應用中有較為巨大的市場潛力。

思考:

據PA-MII的統計,在制造業中60%的能耗來自于傳動系統,今天,基于IGBT的電氣傳動產品已經非常低的成本,因此,中國本土的電氣傳動制造商已經能夠在市場上因為低成本具有了較大的市場份額,但是,未來,在WBG時代,我們是否還能保持領先?更低的功率損耗、更小的體積、高功率密度,可以節能10%左右的空間,這些都是美國PA的突破點,未來,我們還能考低成本領先嗎?

另外,在電動汽車產業,消費電子領域,我們難道還僅樂于提供組裝,而這些核心器件仍然掌握在美國、日本手里,我們是否應該更為關注這些較為領先的技術,真正意義的領先,而不是僅僅停留于制造成本的領先—再說,我們還能領先多久呢?

二、聚焦材料與跨界融合創新

不同于德國的工業4.0聚焦于以制造為核心的協同,美國的制造創新體系由多個(目前14個,未來預期將延伸至45個)ManufacturingInnovationInstitute構成,而這些中心則可以看出其聚焦點在哪里?

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圖4-NNMI的布局(2015)[3]

圖5是2016年NextFLEX的JasonMarsh在NextFlex的會議上對MII的布局的概覽,當然,這個并非對所有目前已經成立的14個MII的介紹,而是對最早的9個的布局。本文僅對IACMI、NextFlex、PA三個作較多的介紹,其它不在本人研究范圍的僅大致了解。

1.各個制造創新中心(MII)的聚焦點

(1)AM:美國增材制造創新中心(增材制造/3D打印)

(2)DMDII:數字制造和設計創新中心

(3)LIFT:輕質材料制造創新中心

(4)AIM:集成光電子制造

(5)AFFOA:革命性纖維

(6)PA:寬帶隙功率電子制造

由于采用SiC和GaN技術,寬帶隙功率電子具有更大的節能空間、體積更小、高功率密度等特點,未來能夠為具體的產業提供巨大的市場。

PA的應用包括了在電動汽車領域的AC-DC,DC-AC轉換設備、充電設備的效率提升,在工業領域則聚焦于大型的傳動設備應用,以及在消費電子領域如手機充電等大的市場應用。

(7)IACMI:先進復合材料制造中心

對于IACMI而言,其聚焦于汽車減重設計,通過聚合物基碳纖維增強復合材料CFRP來實現汽車重量的降低,以達到58.5英里/加侖的目標,第二個應用市場則是風力發電葉片的市場,第三個則聚焦于CGS—燃料電池、壓縮天然氣儲罐的應用市場,其它則是跟材料本身相關以及仿真設計的技術。

(8)NextFlex:柔性混合電子

柔性混合電子是將印刷技術與電子技術進行融合,進而在柔性材料上印刷電子線路,其聚焦于大的消費電子的可穿戴設備領域,其旨在用于健康監測的巨大市場,第二則是為IIoT提供傳感器的設計與制造應用,這些都是較大的應用市場。

 柔性混合電子.jpg

(9)RIME-機器人

(10)CESMII-清潔能源

其它MII不多介紹了,否則文章太長。

2.NNMI--跨界融合的創新

從NNMI的創新中心的聚焦點在材料科技,增材制造其實也是與材料包括粉末顆粒技術緊密相關,另一個顯著特征在于跨界融合—例如:IACMI融合了材料科技、仿真技術、OEM設備、檢測技術、成型等相關的技術,而NextFlex則將電子技術、印刷技術進行了融合。它帶來了以下幾個好處:

(1).創新總是發生在跨界的地方

通過跨界才能產生新的市場機會,NNMI的各個MII之間也有相互的關聯關系,例如:PA可以為CEMII提供技術支撐,而IACMI和LIFT可以共同服務于汽車減重設計,而DMDII則與RIME進行合作。

(2).傳統行業獲得新生

傳統的塑料、鑄造、紡織、印刷已經趨于飽和市場,競爭非常激烈,而NNMI的創新體系設計讓傳統的行業借助于新材料、新制造技術的創新煥發新的生命力:

通過IACMI的復合材料將傳統的塑料工業與新的材料融合,而柔性混合電子和3D打印產業也使得印刷行業提供了新的應用場景(輪轉印刷機)以及產業的延伸,而柔性混合電子使得電子制造業也可以與半導體、油墨等傳統行業進行了融合。

啟示:中國的傳統工業如塑料、紡織、印刷、鑄造等領域如何通過材料科技、智能制造技術的融合提升自己,美國的MII可以給我們很多借鑒。

(3).材料與能源的變革具有“革命性”

很明顯,在整個制造中的成本劃分中人工:機器:材料的構成應該在1:2:7,這表明,在材料方面的改善會帶來更大的競爭力,而能源消耗也是機器成本的重要構成,因此,美國制造業將材料作為了重點,其本身具有重大的意義。

思考:我們將聚焦放在了所謂的“智能制造”—跟著具有在制造業領域非常領先的德國,以及ICT技術非常領先的美國來對我們的傳統制造業進行升級,但是,如果未來,我們的制造業不能在材料、能源領域有非常好的提升,難道我們的原材料還是要掌握在歐美人的手里嗎?

美國的制造業是將制造與材料進行結合,而我們中國在材料科技領域的投資也不可謂不大—因為國家對此非常清楚,但是,如何有效的將材料與制造業緊密結合并形成有效的目標推動,則是值得思考的。

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圖4-WBG的技術優勢分析[4]

思考:據美國PAMII的研究統計,在制造業中的60%左右的能耗來自于電機傳動,由于傳統的IGBT技術已經非常成熟價格便宜,而在中國,電氣傳動領域已經通過低成本讓歐美企業損失很多市場。但是,歐美的制造商仍然在技術上保持著領先,WBG功率半導體技術將會使得功率設備體積更小、功率密度更高,能效提升大約10%,那么未來我們在競爭中是否還能夠領先?

另外,WBG在電動汽車領域的應用也會讓充電時間、功率損耗下降、轉換效率提升,我們必須關注這個領域,否則,在未來電動汽車領域,我們仍然會將核心技術掌握在國外,而自己僅做組裝等低附加值的工作嗎?

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圖5-WBG的技術應用范圍[5]

在IIoT、美國的智能制造中,能源網絡協同是其核心,能源協同就是通過連接,將能源在其中進行了“水平解耦”--在我剛剛聽到華為的史揚先生講這個詞的時候我尚未明白其中含義,而他推薦的《零邊際成本社會》則對其進行了分析,舉個例子如果在時間上精準的配置,可以消除等待時間中的空轉能耗,或者通過最優的液壓與產品加工的匹配,可以為注塑機提供節能空間,這些技術在注塑機領域已經有了大量的應用。

三、生態系統建設是關鍵

NNMI是一個Network—其本質在于“生態系統”,其設定的目標也是構建生態系統,我們可以從幾個MII的愿景里就可以看到其主旨在于構建“EcoSystem”.這包括了NNMI本身的目的在于構建制造創新的生態系統,而對于每個具體的MII,同樣如此。

生態系統建設是每個MII的核心職能

NNMI的戰略核心是構建生態系統,而不是政府自己大包大攬,希望通過協同來實現整體產業的發展,例如:EndUser主導明確的需求,而OEM、材料、制造等跟隨,避免錯誤的研發方向,節省產業內的研發成本。信息的共享也會起到降低研發成本的效應—避免不必要的研發投入。

其宗旨在于降低美國該產業的成本,獲得全球競爭力,并非是為某家公司,而是放眼全球市場,如何讓美國該領域制造業來提升競爭力。

協同效應降低整體成本

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圖6-NNMI的生態系統構成[1]

生態系統的意義在于幾個方面:

(1).明確的需求避免不必要的研發浪費—例如走彎路,由EndUser提出需求,產業進行協同,否則,不同的OEM、材料等廠商各自去研究市場需求,會走彎路—這都是成本。

(2).資源的共享:包括測試實驗室裝備、技術的培訓、技術研發信息等。

通過產業鏈的協同,資源分享,讓整個美國這個領域的制造企業在資源上獲得分享降低其自身的成本,整個美國該產業整體的競爭力就會被打造出來。

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圖7-首個MII-AmericaMakes旨在構建生態系統[6]

關注到構建生態系統,其邏輯在于如何有效的讓產業協同,從產業鏈的上游至下游,通過協同效應來消除美國整個產業的成本、技術領先性等,以使得美國該產業在全球產業鏈中占據優勢。

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圖8-舉例:IACMI經濟開發委員會的構成[7]

圖8以IACMI的經濟開發委員會為例,包括了VC/PE、教育勞動部門、趨于創新中心等共同參與,協同發展。

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圖9-舉例:NextFLEX的生態系統構成[8]

圖9則列舉了NextFlex-柔性混合電子領域的創新中心,生態系統構成,由仿真設計、材料、機械、終端用戶、勞動力培訓機構、協會組織、大學研究機構共同構成生態系統,進而共同分享信息、組織培訓、測試、驗證實驗室等進行整個產業的協同發展。

3.杠桿效應

事實上,美國的NNMI給予每個MII的資金并非很多,其主要目的是想通過杠桿效應,通過產業鏈的自我驅動來引發投資,用2億美元的投資,撬動一個10倍或者更大的產業投資,由此投資引發一個10倍或更大的市場。

思考:

(1).對于中國的制造業推動,我們是否應該這樣大把的由政府主導項目的投資?NNMI給我們的借鑒在于如何構建生態系統,花較少的錢來通過協同、杠桿效應來推動企業主動的投資,進而將產業做大。

(2).從目標戰略來講,我們是否需要清晰的選擇?在制造業我們可能需要先解決基礎的精益生產問題的推動(就像日本當年一樣),進而推動自動化技術,并規劃AI技術,本質上說,德國、美國、日本和我們的制造基礎不同。

四、專業的組織運營設計

1.前期調研

IACMI、NextFlex等都由Nexight咨詢公司進行了前期的咨詢工作,包括進行產業專家調研、產業文獻整理等工作,確定關鍵技術路線圖,以及設定里程碑,并組織Workshop來培訓關聯企業的項目申請與流程。

術業有專攻,事實上由專業的咨詢公司組織前期咨詢有一些好的表現在兩個方面:

(1).具有專業性:戰略并非是空洞的,而是有其專業的方法論和成熟模式可以借鑒,專業咨詢公司可以通過這些方法與模型來提升項目組織效率。

(2).由中間咨詢公司進行的項目調研可以避免過多的利益相關者對制度體系的影響,避免發展為“圈內”人的游戲。

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圖10-IACMI由Nexight集團提供咨詢服務[7]

2.目標設定

目標設定的SMART原則,具有可量化、可實現等準則,這也是NNMI各個組織所遵循的。

(1).對于IACMI而言,其設定的目標即在五年內達到以下目標:

降低25%的聚合物基碳纖維增強復合材料的成本;

降低50%的CFRP內生能耗

80%的可重復利用率

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圖11-IACMI的目標設定[7]

流程設計

各個MII均有清晰的技術路線圖、里程碑設計,由專業咨詢公司與產業專家共同討論,咨詢公司還提供產業本身的市場分析、對標研究等戰略制定咨詢

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圖12-舉例:NextFlex的路線圖設計[8]

技術路線圖的設定非常清晰

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圖13-NextFlex所需涉及的技術領域及指標[9]

啟示:其實,從我們的政府、企業的“文風”就可以看出其缺乏結構性、可視化,平時你看到大篇的文字關于數據的描述,而不是采用圖表就是一種缺乏思維結構性的文風,而美國的管理學在全世界是最領先的,不管是戰略管理大師包括邁克爾.波特、德魯克、生態系統的JamesFMoore,以及運營管理、組織行為,這些都是美國強勢的地方,因此,在設計和規劃系統、運營組織的能力方面,美國人的確是值得我們學習的。

管理的提升是基礎,就此而言,“精益生產”以及“精益思想”是貫穿于整個日本、德國、美國的制造業的,而中國發展制造業,必須以精益為基礎,這樣才能知道我們想要達到什么目標?可量化的,包括數據的模型,否則,Interner+卻不知道要采集什么數據,如何使用這些數據,那么智能制造就是花架子。

五、人力資源培養是NNMI的伴隨戰略

在NNMI的戰略指導中即將為制造業培養勞動力列為了戰略的訴求之一,而每個MII的使命設計都包括了對人力資源的培養,這就意味著教育與培訓是整個制造業的伴隨戰略,緊密相隨。

1.教育是制造業發展的基礎與長期戰略

對于NNMI的設計而言,教育與人才培養是與制造業發展緊密伴隨的,每個MII都會有政府勞動部門的參與,并制定教育培訓計劃:

(1).產業推動教學研究:大學作為非盈利組織提供研究支撐,同時也使得大學可以緊密的與產業實際相結合,避免大學做純理論而無法將其轉化為實際的生產力。以產業推動教育更具有效率,并能夠讓學生參與其中。

(2).勞動力培養也包括了制定相關的培訓,尤其是與制造業相關的職業培訓方面的課程設計,人員的資質認證等。

(3).生態系統內的知識共享:人才培養包括了在其MII內成員的交流,這種跨界交流使得知識更為融合,也讓工程技術人員具有更為廣闊的視野,并降低了研發整體成本。

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圖14-有效的開發勞動力以服務于制造業的升級[6]

對于NNMI其在制造業的勞動力培養方面會有以下工作:

支持并協同州和當地教育與培訓機構來提升先進制造能力模型需求

先進知識的勞動者:研究者與工程師

識別定義下一代勞動力的競爭力需求

2.具體的勞動力開發實施

2.1AM組織了大量的人員培訓,包括

(1).德勤咨詢:創建一個3小時增強制造業務相關的在線課程,有超過10000人參與此課程。

(2).密爾沃基工學院共同推出3D打印和增材制造認證課程,課程在2015年中期已經有150人通過認證。

(3).產業:聯合企業以私人捐贈方式提供桌面3D打印給1000家學校,用于科學、技術、工程和機電(STEM)教育課程。

2.2DMDII

DMDII成立勞動力開發專家委員會來制定為DMDII勞動力開發的戰略,定義三個主要的數字制造與設計的關鍵能力組件:

(1).定義在該領域獲得成功所需的勞動力技能

(2).通過開發內容、推廣以及培訓教員來教育

(3).開發并發布應用案例和數字制造思想

這些組件會在項目征集中設立相關申請,便于成員進行組織。

2.3LIFT

LIFT舉辦了很多與教育培訓相關的工作,也可以讓看到美國各個MII的教育實踐:

LIFT投資了“任務為中心的”輕型飛行器設計課程,被22個州25000名學生使用。贊助了普渡大學主辦的Indy500GrandPrix,其活動由高中生參與,通過采用輕質材料來設計、制作、測試并銷售其汽車。并在2015年有1000人參與的美國機械工程協會的營地啟動了輕質材料與技術的內容給45名教師。

為重建美國先進制造技術勞動力,LIFT與印第安納Vincennes大學為退伍軍人提供制機器培訓課程。并投資工業技術與維護工作的行業標準—這也是非常重要的制造業工作崗位,并肯塔基州為大學和技術學院提供成人學徒模式的學習方式。

LIFT退出新技術項目,教育和勞動力開發正在致力于新的實習模式,大學與社區學院學生挑戰賽,并為現在崗位工人舉辦培訓,以使得他們能夠與新興技術與制造流程所需的能力相匹配。

 講解.png

不僅包括上述三個,包括IACMI舉辦大量的校園競賽活動,NextFlex在其技術路線圖中也包括了教育培訓計劃作為三大主線之一。

思考:大家都提教育,提創新,但是,我們的教育給了我們哪些創新的培養?或者給了學生哪些創新的機會?在人才培養方面,不僅包括大學的培養,包括在職的教育培養,與我們所倡導的智能制造之間有哪些關聯?需要哪些能力、專業的升級?我們如何突破,都是需要去研究的,那種依賴于考評老師論文的設計已經嚴重扼殺了大學與產業實際的結合,這些不解決,我們如何讓自己的制造業升級?

教育是配合制造業的戰略主線—這在美國NNMI的每個MII中都得以體現的,我們如何讓學生的學習接近產業前沿?如何讓我們的大學更為聚焦于產業應用,而不是SCI、EI這些論文的量—那不是創新。

精益管理、教育與人才培養,這些都是支撐制造業長期戰略的基礎實踐,如果我們過于急功近利,推動智能制造,那么最終,我們得到的可能會是一個爛攤子,事倍功半。

在這篇文章的寫作過程中得到了我的師姐-Mandy同學的建議,原本我的初衷是如何給我們中國的產業有哪些啟發,結果,陷入到了具體的技術和產業,因此,Mandy師姐給了很多建議—如何去讓我們思考我們的制造業規劃以及我們如何對待創新這些更為全局的問題上,在此謝過。


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