机器人技术革新美国制造业智能工厂引领产业振兴

制造业技术与创新的隐秘联系及机器锻造的新时代探索

技术狂人特斯卡CEO马斯克曾预言，“机器制造机器”将成为推动特斯卡航天项目和汽车业务发展的核心动力。更便宜、可扩展的程序让SpaceX能低成本、高效地完成发射任务，这一点连美国宇航局也难以匹敌。提及特斯卡电动皮卡Cybertruck，这款采用创新设计体系的车型，废除了传统模具冲压，采用金属件的弯曲和折叠技术，车身由超硬30倍冷轧不锈钢打造，展现出前所未有的工艺创新。

在制造业技术的演变中，一种全新的制造方法正在崭露头角，那就是“机器锻造”。这种方法有可能彻底改变高质量构件的生产方式，为定制和优化新产品开辟新的道路。

让我们回顾一下传统的制造工艺。机加工、铸造、成型及锻造等经典工艺广泛应用于各种高性能、安全性强的金属零件制造中。铸造和锻造成型需要定制模具，虽然生产效率高、零件成本低且具高度可复制性，但设计制造的时间成本和费用较高。而数字化生产如计算机数控加工，虽然使生产更便捷，但产出率普遍较低。

与此人们对增材制造（3D打印）的零件生产方式充满热情。这种打印方式根据需要从计算机存储的模型文件中选择生成零件，每次叠加一层，能够制作出传统机械加工无法实现的形状。其生产的零件通常强度或韧性不高，需要重新处理，这在一定程度上造成了资源的浪费。

就在“机器锻造”闪亮登场。它正式名称为变形制造（MetamorphicManufacturing），是目前正在发展的一种新的制造方法。这种方法模拟了人类铁匠的技能和创造力，利用传感器、热控制、制动成型、机器人操作系统和计算系统精确锻造金属物件。机器锻造可以扩展铁匠打铁的技术，利用全新的数字能力，使金属件在压力机上准确定位并成型。这种技术有望高效、持续地制造飞机、船只、潜艇和机车内部的结构框架，或生产出小型个性化的医疗植入物。

机器锻造的倡导者GlennDaehn将其视为继计算机数控及添加制造（3D打印）之后的“第三次数字制造浪潮”。该技术将铁匠的热机械变形与智能机器系统的高精度控制系统相结合，打破了数控加工和添加制造的一些局限性。与数控加工相比，变形制造的成型技术可减少加工时的材料损失；与添加制造相比，变形制造的锻造技术可利用更广泛的金属材料并优化金属的性能。机器锻造还有潜力应用于大型钢制潜艇船体的焊缝减少、卫星等空间飞行器的部件生产、传感器内嵌式无人驾驶运输器的开发以及医学成像设备生产中的微粒生成减少等领域。

掌控金属变形：从基础技术到产业集群的崛起

为了实现对金属变形的精细控制，他们在传统的计算机数控铣床上进行了创新。通过增加端部成型设备和相关软件，这台改造过的机器能够产生微小的变形增量。这一创新技术的展现令人瞩目，他们成功制造了一个马蹄铁和一个支架，并因此赢得了第一名。这项工艺为金属零件的局部按需成形开辟了新的可能。

这只是征途的开端。对于将金属加工成高安全系数的产品而言，仍有许多研究和开发任务在等待他们去完成。机器锻造要全面发展，需要一系列的综合技术作为支撑。系统不仅需要了解加工零件每个部位材料的形状、温度和状态，更要确保结构和性能无误，为此必须能够精准控制温度。在必要的地方，计算机控制的冲压机会对零件进行挤压，逐步使其变形。计算机通过学习先前零件的制作过程，可以决定如何精准移动和敲击零件，以达到理想的形状和性能。

从基础技术到产业集群的蜕变

最近的研究显示，所有这些基础技术都在飞速发展，将它们融合为实用的制造技术，推动产业集群的发展是最佳路径。历史上，技术集聚的例子往往出现在美国之外。个人电子制造业以深圳为中心，先进的半导体设备则在新加坡扎根。虽然早期的产业集聚带有偶然性，但后期的产业集聚往往是深思熟虑后的政策决策结果。

历史同样表明，产业集聚的发源地能享受长期的商业利益。底特律因汽车而兴，硅谷因计算机而盛，托莱多以玻璃制造闻名，明尼阿波利斯医疗设备工程卓越。曾号称“世界橡胶之都”的阿克伦，虽因制造业外移在20世纪80年代、90年代初遭遇衰退，但凭借当地的阿克伦大学不断培养聚合物产业的科学家和工程师，大型轮胎企业建立的实验室和相关基础设施，重新找回了产业方向。这些资源和人才为区域发展注入了新活力。先前橡胶产业的技术工人也成功再就业，成为聚合物产业发展的劳动力基础。阿克伦还建立了全球商业加速器，为企业技术创业提供全方位支持。凭借这些优势，阿克伦成功转型为全球聚合物产业的领导者。

小记

许多伟大的技术虽诞生于美国，但其生产制造环节已经遍布世界各地。例如，许多智能手机的核心技术都是在美国的实验室开发的。而机器锻造技术为美国提供了一个成为领导者的机会。保持这种良性循环的关键是回归工厂、发展工厂，让先进的机器制造更多的机器。