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美国国家制造创新中心NNMI给我们制造业的启示

时间:2019-07-23来源:宋华振公众号《说东道西》

导语:NNMI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

自去年林雪萍老师邀约我们一帮自认为“有情怀”的青年组织南山工业书院,第一个任务就是让我们研究美国国家制造创新网络NNMI-我做这件事情还有其它想法—毕竟我的工作也需要研究一下产业市场,就一起混合着想法来看一些NNMI的资料,当然,我的任务是研究一下IACMI-先进复合材料制造创新中心、NextFlex柔性混合电子制造创新中心,后来又有一个PowerAmerica宽带隙功率电子,因此,研究了三个,给我很多触动,因此,也就花费了时间多找了些相关产业的资料,多到我也没时间看。

美国的NNMI的确给了我很多触动—仅就目前快速浏览的资料就给了我很多冲击,美国的制造业可能会给我们中国的制造业、产业、产业创新中心、研究机构、教育机构都会有启发,值得去深入研究。

想想我自己的公众号都2个多月没有内容了,我就和林老师申请这篇我自己的感想就发布在自己的公众号吧!原本按道理,应该是发布在南山工业书院的公众号的。不过,林老师也没什么意见。

一、目的清晰

显然,2008年下半年的金融危机使得美国经济受到了重创,开始反思其产业发展,而PCAST也对全球的经济进行了研究,发现相对于德国、日本以及中国快速崛起的制造业来说,美国已经陷入落后,美国曾经引以为傲的制造业正在失去他们的竞争力,这对美国的就业、经济发展的可持续性带来了巨大的冲击,因此,美国提出了回归制造业的口号。

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,2012先进制造伙伴关系指导委员会(AMP)也认为美国企业在制造业技术转换的技术以及经济上的限制使得美国制造业发展受限,并且,美国希望能够在制造业全球竞争中获得领导地位,2012年建立了第一个制造创新中心-AmericaMakes,并于2014美国众议院修改通过了《振兴美国制造业和创新法案2014》,将对《国家标准与技术研究院(NIST)法案》进行修改,授权商务部部长在NIST框架下实施制造业创新网络计划--NNMI,在全国范围内建立制造业创新中心。在此之后相继成立了多个MII-ManufacturingInnovationInstitute制造创新研究院,负责具体的产业运营。

1.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。

目标在于提升美国制造业的竞争力将技术转化为制造能力的提升,并创造广泛的商业价值加速先进制造劳动力的开发构建有效的运行机制确保可持续发展。

2.定位于蓝海

从NNMI的各个MII所设定的目标如果从MRL(ManufacturingReadnessLevel-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”。

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图1-TRL/MRL定义

也即:NNMI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”,研究那不是我NNMI的事,因为那个需要长期见效,而已经进入市场激烈拼杀的红海,我们也别管了,咱就干最有前途的事情—显然,这样的事情值得投入。

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图2-通过技术产业化提高美国各个工业领域的制造能力[1]

图2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、AirForce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。

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图3-举例:WBG未来将会迎来更为广泛的市场(来自IHS)[2]

图3是一个例子—WBG是其中一个MII-PowerAmerica所需推动的市场,来自HIS的报告可以看出,WBG所推动的SiC和GaN在未来的产业应用中有较为巨大的市场潜力。

思考:

据PA-MII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?

另外,在电动汽车产业,消费电子领域,我们难道还仅乐于提供组装,而这些核心器件仍然掌握在美国、日本手里,我们是否应该更为关注这些较为领先的技术,真正意义的领先,而不是仅仅停留于制造成本的领先—再说,我们还能领先多久呢?

二、聚焦材料与跨界融合创新

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(目前14个,未来预期将延伸至45个)ManufacturingInnovationInstitute构成,而这些中心则可以看出其聚焦点在哪里?

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图4-NNMI的布局(2015)[3]

图5是2016年NextFLEX的JasonMarsh在NextFlex的会议上对MII的布局的概览,当然,这个并非对所有目前已经成立的14个MII的介绍,而是对最早的9个的布局。本文仅对IACMI、NextFlex、PA三个作较多的介绍,其它不在本人研究范围的仅大致了解。

1.各个制造创新中心(MII)的聚焦点

(1)AM:美国增材制造创新中心(增材制造/3D打印)

(2)DMDII:数字制造和设计创新中心

(3)LIFT:轻质材料制造创新中心

(4)AIM:集成光电子制造

(5)AFFOA:革命性纤维

(6)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。

PA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。

(7)IACMI:先进复合材料制造中心

对于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。

(8)NextFlex:柔性混合电子

柔性混合电子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。

 柔性混合电子.jpg

(9)RIME-机器人

(10)CESMII-清洁能源

其它MII不多介绍了,否则文章太长。

2.NNMI--跨界融合的创新

从NNMI的创新中心的聚焦点在材料科技,增材制造其实也是与材料包括粉末颗粒技术紧密相关,另一个显著特征在于跨界融合—例如: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NextFlex则将电子技术、印刷技术进行了融合。它带来了以下几个好处:

(1).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,NNMI的各个MII之间也有相互的关联关系,例如:PA可以为CEMII提供技术支撑,而IACMI和LIFT可以共同服务于汽车减重设计,而DMDII则与RIME进行合作。

(2).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NNMI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:

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。

启示:中国的传统工业如塑料、纺织、印刷、铸造等领域如何通过材料科技、智能制造技术的融合提升自己,美国的MII可以给我们很多借鉴。

(3).材料与能源的变革具有“革命性”

很明显,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。

思考:我们将聚焦放在了所谓的“智能制造”—跟着具有在制造业领域非常领先的德国,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,但是,如果未来,我们的制造业不能在材料、能源领域有非常好的提升,难道我们的原材料还是要掌握在欧美人的手里吗?

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。

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图4-WBG的技术优势分析[4]

思考:据美国PAMII的研究统计,在制造业中的60%左右的能耗来自于电机传动,由于传统的IGBT技术已经非常成熟价格便宜,而在中国,电气传动领域已经通过低成本让欧美企业损失很多市场。但是,欧美的制造商仍然在技术上保持着领先,WBG功率半导体技术将会使得功率设备体积更小、功率密度更高,能效提升大约10%,那么未来我们在竞争中是否还能够领先?

另外,WBG在电动汽车领域的应用也会让充电时间、功率损耗下降、转换效率提升,我们必须关注这个领域,否则,在未来电动汽车领域,我们仍然会将核心技术掌握在国外,而自己仅做组装等低附加值的工作吗?

图5-WBG的技术应用范围.jpg 

图5-WBG的技术应用范围[5]

在IIoT、美国的智能制造中,能源网络协同是其核心,能源协同就是通过连接,将能源在其中进行了“水平解耦”--在我刚刚听到华为的史扬先生讲这个词的时候我尚未明白其中含义,而他推荐的《零边际成本社会》则对其进行了分析,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。

三、生态系统建设是关键

NNMI是一个Network—其本质在于“生态系统”,其设定的目标也是构建生态系统,我们可以从几个MII的愿景里就可以看到其主旨在于构建“EcoSystem”.这包括了NNMI本身的目的在于构建制造创新的生态系统,而对于每个具体的MII,同样如此。

生态系统建设是每个MII的核心职能

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,例如:EndUser主导明确的需求,而OEM、材料、制造等跟随,避免错误的研发方向,节省产业内的研发成本。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。

其宗旨在于降低美国该产业的成本,获得全球竞争力,并非是为某家公司,而是放眼全球市场,如何让美国该领域制造业来提升竞争力。

协同效应降低整体成本

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图6-NNMI的生态系统构成[1]

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EndUser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—这都是成本。

(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。

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。

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图7-首个MII-AmericaMakes旨在构建生态系统[6]

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。

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图8-举例:IACMI经济开发委员会的构成[7]

图8以IACMI的经济开发委员会为例,包括了VC/PE、教育劳动部门、趋于创新中心等共同参与,协同发展。

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图9-举例:NextFLEX的生态系统构成[8]

图9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。

3.杠杆效应

事实上,美国的NNMI给予每个MII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。

思考:

(1).对于中国的制造业推动,我们是否应该这样大把的由政府主导项目的投资?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。

(2).从目标战略来讲,我们是否需要清晰的选择?在制造业我们可能需要先解决基础的精益生产问题的推动(就像日本当年一样),进而推动自动化技术,并规划AI技术,本质上说,德国、美国、日本和我们的制造基础不同。

四、专业的组织运营设计

1.前期调研

IACMI、NextFlex等都由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。

术业有专攻,事实上由专业的咨询公司组织前期咨询有一些好的表现在两个方面:

(1).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。

(2).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10-IACMI由Nexight集团提供咨询服务[7.jpg 

图10-IACMI由Nexight集团提供咨询服务[7]

2.目标设定

目标设定的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。

(1).对于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

图11-IACMI的目标设定[7.jpg

图11-IACMI的目标设定[7]

流程设计

各个MII均有清晰的技术路线图、里程碑设计,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12-举例:NextFlex的路线图设.jpg 

图12-举例:NextFlex的路线图设计[8]

技术路线图的设定非常清晰

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图13-NextFlex所需涉及的技术领域及指标[9]

启示:其实,从我们的政府、企业的“文风”就可以看出其缺乏结构性、可视化,平时你看到大篇的文字关于数据的描述,而不是采用图表就是一种缺乏思维结构性的文风,而美国的管理学在全世界是最领先的,不管是战略管理大师包括迈克尔.波特、德鲁克、生态系统的JamesFMoore,以及运营管理、组织行为,这些都是美国强势的地方,因此,在设计和规划系统、运营组织的能力方面,美国人的确是值得我们学习的。

管理的提升是基础,就此而言,“精益生产”以及“精益思想”是贯穿于整个日本、德国、美国的制造业的,而中国发展制造业,必须以精益为基础,这样才能知道我们想要达到什么目标?可量化的,包括数据的模型,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。

五、人力资源培养是NNMI的伴随战略

在NNMI的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MII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。

1.教育是制造业发展的基础与长期战略

对于NNMI的设计而言,教育与人才培养是与制造业发展紧密伴随的,每个MII都会有政府劳动部门的参与,并制定教育培训计划:

(1).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。

(2).劳动力培养也包括了制定相关的培训,尤其是与制造业相关的职业培训方面的课程设计,人员的资质认证等。

(3).生态系统内的知识共享:人才培养包括了在其MII内成员的交流,这种跨界交流使得知识更为融合,也让工程技术人员具有更为广阔的视野,并降低了研发整体成本。

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图14-有效的开发劳动力以服务于制造业的升级[6]

对于NNMI其在制造业的劳动力培养方面会有以下工作:

支持并协同州和当地教育与培训机构来提升先进制造能力模型需求

先进知识的劳动者:研究者与工程师

识别定义下一代劳动力的竞争力需求

2.具体的劳动力开发实施

2.1AM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。

2.2DMDII

DMDII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:

(1).定义在该领域获得成功所需的劳动力技能

(2).通过开发内容、推广以及培训教员来教育

(3).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。

2.3LIFT

LIFT举办了很多与教育培训相关的工作,也可以让看到美国各个MII的教育实践:

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Indy500GrandPrix,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。

为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。

LIFT退出新技术项目,教育和劳动力开发正在致力于新的实习模式,大学与社区学院学生挑战赛,并为现在岗位工人举办培训,以使得他们能够与新兴技术与制造流程所需的能力相匹配。

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不仅包括上述三个,包括IACMI举办大量的校园竞赛活动,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。

思考:大家都提教育,提创新,但是,我们的教育给了我们哪些创新的培养?或者给了学生哪些创新的机会?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,与我们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?我们如何突破,都是需要去研究的,那种依赖于考评老师论文的设计已经严重扼杀了大学与产业实际的结合,这些不解决,我们如何让自己的制造业升级?

教育是配合制造业的战略主线—这在美国NNMI的每个MII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这些论文的量—那不是创新。

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,我们得到的可能会是一个烂摊子,事倍功半。

在这篇文章的写作过程中得到了我的师姐-Mandy同学的建议,原本我的初衷是如何给我们中国的产业有哪些启发,结果,陷入到了具体的技术和产业,因此,Mandy师姐给了很多建议—如何去让我们思考我们的制造业规划以及我们如何对待创新这些更为全局的问题上,在此谢过。


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