现代制造科学的前沿领域

二、现代制造科学的前沿领域

在21世纪，制造业将产生新的变革，制造科学的前沿也将不断向前推进，新的学科生长点将不断出现，以下几个领域是制造科学新的前沿领域。

1.制造系统及制造过程的理论与方法

信息化是20世纪末制造技术发展的生长点。以1946年第一台计算机诞生及50年代集成电路的发明为开端，在半个多世纪中，信息技术已成为科技发展史上最辉煌、发展最迅速的技术，信息技术将给21世纪经济和社会发展带来革命性变化，成为经济社会中最重要的资源和竞争要素，可以说信息技术改变了当代制造业的面貌。信息技术在促进当代制造业发展过程中的作用是全面和深刻的，甚至可以说信息技术将造就新的制造业秩序。近年来人们提出了一批新的制造模式(虚拟制造、敏捷制造、智能制造、可重组制造等)，一方面开始探究产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造以适应新的信息化制造的环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，人们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，并进一步达到实现控制和优化的目的。

目前的研究集中在以下几个方面:现代制造系统和制造过程基础理论，包括制造系统的建模、仿真和优化；先进制造生产模式研究，如敏捷制造、大批量定制生产、可重构制造系统等；虚拟制造技术和网络化设计与制造；制造信息的获取、表达及传递，非符号信息表达，海量制造信息的管理等；现代制造过程和制造系统的控制理论与方法；支持产品设计和制造过程创新的理论及方法；基于节约资源和环境保护的先进制造理论与方法等。

2.微系统及其制造技术研究

微系统(micro-system)是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。其后开发出尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及连接件等微型机构。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～120微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微系统技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微系统的发展令人瞩目。其特点如下:相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工技术和LIGA加工技术，已成为微系统的支撑技术。微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍。微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。目前对微观条件下的机械系统的运动规律、微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统的设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微系统(特别是微型机械系统)研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

3.材料制备/零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础和先导。每一种重要新材料的成功制备和应用，都把物质文明推向前进，促进国家经济实力和军事实力的增强。展望21世纪，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变；要求材料和零件具有更高的性能，甚至功能化、智能化；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效，并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备/制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机拟实仿真优化可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备/制造。另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料制造技术、覆层技术等，研究多元材料组分的复合成形工艺技术，形成材料与零件的数字化制造方法、理论和技术。如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，不需要工具或模具，而能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

极限条件下的加工技术和新的加工工艺也是当前研究的热点，如基于ST M的纳米加工技术可实现材料制备/器件一体化；纳米粉光纤激光微成形技术可加工出壁厚只有几十纳米的微小元件，这些技术在航空航天、信息、微电子产业有重要的应用前景。预计一般加工精度要达到1微米，精密加工精度和超精密加工精度将分别达到0.01微米和0.001微米，进而向原子级加工精度逼近，真正实现材料表面的原子转移。目前发达国家采用超精密特种加工方法已能加工出纳米级的大规模集成电路芯片(加工精度2.5毫微米，粗糙度4.5毫微米)。超精密加工的对象已由加工单件、小批量的工具、量具等扩展到大批量工件生产和高科技产品(如磁盘、录像机磁头、大规模集成电路、精密雷达等)的加工。此外，超高速加工等高效节能加工技术也是当前的发展趋势，采用陶瓷刀具切削速度已可达800～1 000米/秒。绿色制造、生态工业将成为21世纪制造业发展的必然趋势，环境恶化、资源短缺和法律法规的苛刻要求将不断向制造业提出新的挑战和新的研究课题，如高效低耗加工方法、少或无切削液加工技术、可降解材料的利用和废弃产品的可拆卸性等。

4.机械仿生与生物制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟新产业(如人工器官制造)，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

机械仿生与生物制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前国外已开展的研究工作有将快速原型制造技术与人工骨研究相结合，为颅骨、颚骨等骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段；人工器官的制造也是当前最新的研究方向之一。仿生制造系统(bionic manufacturing system，BMS)是日本所倡导的、并正在执行的大型国际研究项目——智能制造系统的研究的一部分。近年来，国际上不少学者研究昆虫的运动机理，试图从中受到启发，为微小机械设计理论与设计方法的建立寻找突破口。如美国国防部投资10亿美元，研究如何利用昆虫进行军事侦察；电脑+生物活体的受控遥控昆虫已经问世。这些成果与国防军事密切相关，对提高一个国家的综合实力具有重要意义。在国内，在国家自然科学基金的资助下，有关研究单位在生物脱附减粘与机械仿生、利用微生物加工微型元件、仿生机器人、人工关节的摩擦学问题及面向生物工程的微操作机器人系统等方面开展了研究工作，并取得了一定的成果。目前在上述领域所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础。

5.绿色制造技术

绿色设计与绿色制造是最近几年先进制造技术领域的研究热点之一，在美国、西欧和日本等发达国家和地区，研究更是十分活跃。绿色设计与制造也可称为面向生态的设计与制造。最初的研究多集中在拆卸方法和技术、回收工艺和成本核算等方面。随着研究的深入，绿色制造的概念和理论方法也在不断深化。人们已经开始从考虑简单的单元制造或产品直接造成的环境污染，发展到面向产品全寿命的绿色设计和绿色制造系统，即从产品初期设计开始，考虑整个制造过程和产品最终回收的所有问题。绿色制造的研究涉及多方面的问题，除制造范畴内的材料、设计、制造、包装、回收外，还涉及政府的政策法规、国民的消费观念、资源、环境和生态等问题。在进行绿色设计与制造的研究时，必须考虑学科交叉的特点，从系统工程的观点来研究与开发环境友好的产品。目前发达国家在这方面的研究已从面向环境的产品设计扩展为面向环境的产品开发和生产，并进一步扩展为面向环境的产品寿命周期。国内在绿色制造方面的研究还比较初步，在系统化和结合制造特点等方面尚有待深入。

现代制造科学是多学科交叉发展的结果，这就决定了其研究内容跨度大，覆盖面广的特点。对制造科学的基础研究而言，在财力和物力有限的条件下，应考虑我国的国情并发挥我国基础研究的自身优势，本着“有所为，有所不为”的原则，认真遴选优先资助领域，争取在某些领域能够有所突破。