從特種加工到智能能量場(chǎng)制造

中科院寧波工業(yè)技術(shù)研究院先進(jìn)制造所激光與智能能量場(chǎng)制造團(tuán)隊(duì) 張文武執(zhí)筆

目前，特種加工已經(jīng)解決了一系列傳統(tǒng)制造所面對(duì)的工程難題，但其經(jīng)濟(jì)體量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)制造?，F(xiàn)代科技的進(jìn)步要求制造業(yè)跨越傳統(tǒng)制造與特種加工的壁壘，以多能場(chǎng)融合的戰(zhàn)略更優(yōu)地解決工程問(wèn)題。系統(tǒng)研究多能場(chǎng)融合制造的工程方法之一是智能能量場(chǎng)制造。該工程方法將能量場(chǎng)、物質(zhì)和信息看作工程優(yōu)化的自由度，從而在根本上消除制造方法之間的壁壘。

傳統(tǒng)加工與特種加工

在參觀河南兩家普通的工廠時(shí)，筆者欣喜地看到激光被用于現(xiàn)代化的生產(chǎn)線，高效率高質(zhì)量地完成切割和焊接工作。特種加工產(chǎn)業(yè)雖然不大，但已經(jīng)廣泛深入生產(chǎn)第一線。

熱能與機(jī)械能是人類首先掌握、駕馭的能量場(chǎng)。石器時(shí)代，人類以硬質(zhì)石材為工具，造出更多的工具和器件。青銅器和鐵器時(shí)代，人類則用銅和鐵促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高。大工業(yè)革命之前，人類的制造組織形式是以人工為主的手工業(yè)作坊。隨著煤炭和蒸汽機(jī)的大規(guī)模使用，大規(guī)模能源的方便供給啟動(dòng)了工廠這樣的生產(chǎn)形式。大規(guī)模批量化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、自動(dòng)化智能化生產(chǎn)等都是在工廠這種大框架下逐步演繹出來(lái)。

人類的制造工程已經(jīng)發(fā)展出許多分支，加工工藝被籠統(tǒng)地分為傳統(tǒng)加工和特種加工。以機(jī)械力為主的有直接機(jī)械接觸的加工目前是制造業(yè)的主流，被泛稱為傳統(tǒng)制造。傳統(tǒng)制造的規(guī)模和影響是如此之大，以致于相關(guān)專業(yè)被稱為機(jī)械工程專業(yè)，培養(yǎng)的人才被稱為機(jī)械工程師。相對(duì)來(lái)講，以非機(jī)械力（聲、光、電、磁、化學(xué)、離子束、電子束及水射流等）為主的加工工藝，或具備非直接接觸特征的加工工藝，或工作于超常情況下（如高速?zèng)_擊變形）的加工工藝，被稱為特種加工。特種加工的興起源于一戰(zhàn)、二戰(zhàn)時(shí)期的各種新材料、新結(jié)構(gòu)的使用，尤其是高溫、高硬度合金以及陶瓷等難加工材料與結(jié)構(gòu)。于是，各種不受限于難加工材料硬度、脆性或傳熱特性的能量場(chǎng)，包括電化學(xué)、電火花、超聲波、電弧、離子束、水射流及激光等工藝被研發(fā)出來(lái)，獲得一定范圍的推廣和重視。

但是，有歷史特定緣由的傳統(tǒng)和特種加工之分產(chǎn)生了一系列負(fù)面影響，在當(dāng)今時(shí)代應(yīng)該糾正，從而使制造技術(shù)更好地服務(wù)于新時(shí)代的創(chuàng)新。傳統(tǒng)加工未必是最優(yōu)的解決方案，但由于其長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)較好解決了加工問(wèn)題，使得特種加工喪失了應(yīng)有的發(fā)展空間，導(dǎo)致特種加工的邊緣化。比如，車削，人們發(fā)展了各種刀具以應(yīng)對(duì)超硬材料加工。實(shí)際上，水射流加工、激光加工以及電化學(xué)放電加工都有車削的潛力，并在某些情況下可以做得更好，包括更節(jié)能、更高速等。特種加工不去競(jìng)爭(zhēng)這些傳統(tǒng)加工的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，自甘邊緣化。換句話說(shuō)，特種加工應(yīng)該爭(zhēng)取在所有加工領(lǐng)域的機(jī)會(huì)。

特種加工的發(fā)展困境

許多特種加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)明了數(shù)十年，但其產(chǎn)業(yè)化規(guī)模卻不盡如人意。工業(yè)激光2012年全球產(chǎn)值80億美元，水刀或電加工的情況也類似，遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)加工行業(yè)。以中高端激光加工為例，由于用戶需求少，系統(tǒng)按單交付，交貨期長(zhǎng)，系統(tǒng)價(jià)位偏高，連配套的光學(xué)器件也貴得驚人，導(dǎo)致了激光加工的準(zhǔn)入門檻偏高，影響其長(zhǎng)期市場(chǎng)規(guī)模，惡性循環(huán)。其實(shí)，一旦找準(zhǔn)大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用，批量化生產(chǎn)，系統(tǒng)的成本是可以大規(guī)模降低的，激光打標(biāo)機(jī)在中國(guó)的發(fā)展就是典型案例。

特種加工如何走向批量化生產(chǎn)是值得深思的問(wèn)題。業(yè)內(nèi)許多企業(yè)規(guī)模不大，同類產(chǎn)品間標(biāo)準(zhǔn)化推行不力，使用上又不充分以客戶為中心，導(dǎo)致系統(tǒng)的易用性差。針對(duì)這些方面，該領(lǐng)域應(yīng)該向IT行業(yè)學(xué)習(xí)。這樣的創(chuàng)新并不需要技術(shù)上的大突破，卻可以產(chǎn)生顯著的效果。

特種加工的另一問(wèn)題是過(guò)于重視硬件技術(shù)的提高，卻對(duì)應(yīng)用技術(shù)和商業(yè)化的普通要求有所忽視。比如，激光領(lǐng)域聚集了大量的物理學(xué)家，該領(lǐng)域每年的年會(huì)都有大量的技術(shù)指標(biāo)突破，但系統(tǒng)可靠性與成本如何卻不是關(guān)注熱點(diǎn)。其實(shí)，技術(shù)發(fā)展到一定程度，要想大規(guī)模應(yīng)用，就應(yīng)該踏踏實(shí)實(shí)地解決應(yīng)用問(wèn)題，將系統(tǒng)從高科技變?yōu)樯倒鲜疆a(chǎn)品，讓大眾毫不費(fèi)力地享受功能服務(wù)，不必太勞心勞力，不必雇傭高端人才。

從特種加工到智能能量場(chǎng)制造

本來(lái)特種加工和傳統(tǒng)加工兩者的目標(biāo)是一樣的，都是為了解決材料的成形加工問(wèn)題，但由于傳統(tǒng)加工歷史性的先行出現(xiàn)和先行發(fā)達(dá)，使得特種加工的發(fā)展空間受限。

其實(shí)，特種加工的興起標(biāo)志著制造工程進(jìn)入“能量場(chǎng)制造”時(shí)代，按照技術(shù)演化趨勢(shì)分析，更理想的發(fā)展路線應(yīng)該是不再區(qū)分加工手段究竟是機(jī)械力或是其他能量，而應(yīng)該系統(tǒng)研究、充分關(guān)注如何集成、優(yōu)化各種能量場(chǎng)，獲得更簡(jiǎn)潔、合理的工程解決方案。目前的現(xiàn)實(shí)卻是，由于制造工程的過(guò)度細(xì)分，能量場(chǎng)的融合、集成、優(yōu)化創(chuàng)新遇到了教育、人才、資源、體制、思維等方方面面的不必要障礙。即使是研究特種加工的工程人才，也可能過(guò)于專注于自己的“傳統(tǒng)”能量場(chǎng)，缺乏跨越與交叉的主動(dòng)性和能動(dòng)性。

人們?cè)?jīng)倡導(dǎo)混合型工藝或多能場(chǎng)融合工藝，比如，磨粒水射流加工、激光與水射流的合并、ECM與EDM的混合、激光加熱與機(jī)械車削的結(jié)合，以及超聲輔助鉆削等，這些混合工藝取得了意想不到的成功。但這些只是冰山之一角，是智能能量場(chǎng)制造的初級(jí)階段。從工程優(yōu)化的自由度來(lái)看，多一個(gè)場(chǎng)多一個(gè)維度，優(yōu)化空間變了，一些單一能量場(chǎng)難以解決的問(wèn)題可能迎刃而解。

智能能量場(chǎng)制造中的動(dòng)態(tài)制造工程模型（Dynamic M-PIE Flow Model）

筆者提出智能能量場(chǎng)制造，嘗試從工程方法上徹底消除這種本不該存在的障礙。智能能量場(chǎng)制造系統(tǒng)研究工程系統(tǒng)中能量、物質(zhì)、信息相互作用耦合的規(guī)律，提出廣義能量場(chǎng)的概念，將物質(zhì)、信息、能場(chǎng)的各種變化一視同仁，全部作為工程優(yōu)化的自由度，解決工程矛盾，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的指定演化，如附圖所示。

實(shí)際上，不存在單一能量場(chǎng)的加工工藝，因?yàn)槲覀兩钆c四維時(shí)空，身處一定的周邊環(huán)境。環(huán)境溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、介質(zhì)場(chǎng)及壓力場(chǎng)等都在起作用，只不過(guò)許多時(shí)候大家忽略罷了。機(jī)械力只是各種力的一種，激光、電子束、超聲、水射流等也毫無(wú)特殊性，只不過(guò)是工程上可用的能量場(chǎng)的選項(xiàng)。智能能量場(chǎng)制造強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性集成優(yōu)化能量場(chǎng)，強(qiáng)調(diào)信息、物質(zhì)、能量的協(xié)調(diào)合力，目標(biāo)是最優(yōu)地解決工程矛盾。

特種加工與三維/多維制造

智能能量場(chǎng)制造還期待以能量場(chǎng)的方法實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維及多維制造。3D打印技術(shù)是三維增材制造技術(shù)的俗稱，經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，正處于新的快速發(fā)展突破時(shí)期。其基本思想是將復(fù)雜形體分層，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，用各種工藝手段將成形材料由點(diǎn)到面，由面到體地制造出來(lái)。其本質(zhì)是數(shù)字化三維制造。

有人聲稱3D打印技術(shù)將引發(fā)第三次工業(yè)革命。實(shí)際上，制造技術(shù)分為增材、減材、不增不減制造三大類，3D打印是數(shù)字化分層增材制造的一種，需要與其他制造方法聯(lián)合才能在未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得優(yōu)勢(shì)地位。但3D打印等數(shù)字化制造技術(shù)的深刻影響不容忽視，它昭示著大規(guī)模個(gè)性化分布式制造和功能優(yōu)先制造時(shí)代的開(kāi)始。

換句話說(shuō)，目前的制造模式是批量化大工業(yè)生產(chǎn)，興起于源自歐洲的大工業(yè)革命，以汽車業(yè)的發(fā)展為典型代表。當(dāng)智能化、數(shù)字化制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，制造的門檻進(jìn)一步降低，設(shè)計(jì)師的地位將進(jìn)一步上升，傳統(tǒng)大工廠的生產(chǎn)模式可能讓位于設(shè)計(jì)師群體主導(dǎo)的全球動(dòng)態(tài)合作，大規(guī)模分布式制造的時(shí)代。制造業(yè)的革命正在進(jìn)行中，但不僅僅因?yàn)?D打印，更是因?yàn)橐远嗄軋?chǎng)融合制造為特征的數(shù)字化智能化制造。3D打印技術(shù)已經(jīng)成為全球熱點(diǎn)，4D打印的概念也被提出。我們生活在四維時(shí)空中，具備顯著四維時(shí)空可控性的制造可以被泛稱為4D制造，比如制造出的三維物體可以在預(yù)定的時(shí)間發(fā)生預(yù)定的變形或功能變化。

有更多的制造新趨勢(shì)讓人目不暇接，比如云制造、大數(shù)據(jù)、體性（WIKI-Style）創(chuàng)新制造，等等。目前，以3D打印、特種加工、綠色智能、全球網(wǎng)絡(luò)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)引起了全社會(huì)的關(guān)注，如何在新工業(yè)革命中獲取先機(jī)成為各國(guó)的戰(zhàn)略研究重點(diǎn)。

一些特種加工技術(shù)已經(jīng)難稱特種了，比如傳統(tǒng)的水射流加工，被廣泛用于石材、玻璃、金屬板材的切割。但人類制造的總體需求是不變的，那就是實(shí)現(xiàn)三維/多維的智能仿生制造。從這個(gè)角度來(lái)講，特種加工應(yīng)該面向未來(lái)，作出更大的貢獻(xiàn)。目前流行的3D打印工藝存在一系列缺點(diǎn)，需要革新。特種加工，或多能場(chǎng)融合的加工，面臨新工業(yè)革命中的新任務(wù)，那就是，結(jié)合智能化技術(shù)，在提升能量精細(xì)控制的同時(shí)，在全部工程自由度下（信息，物質(zhì)，能量）優(yōu)化三維/多維制造技術(shù)。沿此思路，水射流加工等可否實(shí)現(xiàn)微納米加工精度？可否實(shí)現(xiàn)精細(xì)3D雕刻？可否與增材制造融合，實(shí)現(xiàn)更合理的制造？這是新的創(chuàng)新領(lǐng)域。

結(jié)語(yǔ)

中國(guó)制造業(yè)總產(chǎn)值在2012年已經(jīng)是世界首位，達(dá)到美國(guó)的1.26倍。中國(guó)特種加工發(fā)展迅速，但相比國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大差距，并且很少有突破性原創(chuàng)技術(shù)。因此，中國(guó)制造不僅僅應(yīng)該趕超世界制造業(yè)的先進(jìn)水平，還必須重視技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展先進(jìn)的制造思想。智能能量場(chǎng)制造提出工程優(yōu)化自由度的理念，很自然地拆除了傳統(tǒng)與特種加工之間的藩籬，是面向未來(lái)的制造思想的有益探索。

特種加工在新時(shí)代有新的使命，那就是全局優(yōu)化三維/多維制造技術(shù)。