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制造风云

微纳制造技术

日期:2017-12-08 17:36:49    浏览:

微纳制造技术

微纳制造对于创新应用越来越重要,许多国家和地区都非常重视其发展。例如,在欧盟框架计划的支持下,欧洲微纳制造技术平台(MINAM)于2006年9月开始启动,于2008年初正式成立。MINAM致力于推动微纳制造技术的研发与产业化,为欧洲的微纳产品制造商及设备供应商提供技术支撑,帮助他们在关键技术领域建立、维持全球领先地位。MINAM发布的微纳制造技术前景展望总结了其战略研究议程(SRA)的要点,确定出微纳制造发展的新趋势,为维持和进一步增强欧洲工业在微纳制造技术领域中的领先地位,提供了未来投资和研发战略指导。

一、简介

人们普遍承认,微纳制造技术的发展具有战略重要性,有助于维持欧洲经济区的工业基础,让欧洲在急剧增长的微纳技术产品与服务全球市场中发挥引领作用。欧洲微纳制造技术平台(MINAM)的成立,将帮助欧洲的微纳产品制造商和设备供应商在关键技术领域中建立并维持全球领先地位。

欧洲具有卓越的研究能力和所需的系统知识,可以获得相当的市场份额。但欧洲仍应该在微纳制造的多学科领域中开展更多的应用研究与开发,加快研发成果与创新向市场和产品的转化。为此,欧洲微纳制造业应该:

·成立一个制造微纳技术产品的新行业;

·让欧洲在纳米粒子、微纳结构和部件生产领域中占据主导位置;

·建立制造欧洲微纳技术产品的完整价值链;

·确保新的微纳产品是使用欧洲血统的设备和系统,在欧洲工厂中生产出来,克服目前仅有研发、试产阶段和第一条生产线是在欧洲完成的状况。

二、社会影响

21世纪,人们仍会不断追求条件更好且可负担的医疗保健服务、更高的生活品质和质量更好的日用消费品,并竭力应对由能源成本上涨和资源枯竭所带来的风险等“巨大挑战”。它们也是采用创新体系的商品扩大市场的推动力。微纳制造技术过去和现在一直都被认为在解决上述挑战方面大有用武之地。

1.环境——采用更少的能源与原材料

从短期来看,微纳制造技术不会对环境和能源成本产生重大的影响。受到当前加工技术的限制,这些技术在早期的发展阶段往往会有较高的能源成本。与此同时,微纳制造一旦成熟,将会消耗更少的能源与资源,就此而言,微纳制造无疑是一项令人振奋的技术。例如,与去除边角料获得最终产品不同的是,微纳制造采用的积层法将会使得废料更少。

随着创新型纳米制造技术的发展,现在对化石燃料的依存度已经开始下降了,二氧化碳的排放也随之降低,大气中氮氧化物和硫氧化物的浓度也减少了。

以下列举的是当前纳米制造技术在环境友好方面有望大展身手的一些领域:

·蓄电:改进传统充电电池的效率,使之能用于运输领域来减少排放,或作为高效可再生能源的备用能源。纳米技术有望用于开发超级电容器,为蓄电提供新的解决方案。

·热电:新型纳米材料可将废热转化为电能,因而对于那些利用燃烧作为主要供能方式的领域(如混合动力汽车)来说,这将大大促进节能。

·燃料电池:作为可持续氢经济的组成部分或者是基于燃料电池的高效的碳氢化合物,在减少汽车尾气排放方面都大有潜力可挖,抑或作为热电联产电站,来降低排放。

·照明:对于传统的白炽光源来说,LEDs是一种高效能的替代,纳米技术可用来开发更多新的光源。

·发动机/燃料效率:采用纳米颗粒燃料添加剂能够减少柴油机的能耗并改善局部空气质量。微纳材料也用来改善飞机涡轮叶片的热阻性能,使得发动机可以在更高的温度下继续运转,进而提高整个发动机的效率。

·减重:新型高强度复合材料能够减轻材料的重量。未来的目标包括:在金属合金和塑料中掺杂纳米管来减少飞机的重量;改进橡胶配方中掺杂入轮胎的纳米颗粒;利用通过纳米技术制得的汽车等的催化式排气净化器优化车内燃料的燃烧过程。

2.生产基地维持

随着投资转向更为适宜的地方,一些国家展开了激烈的竞争,这些国家在微纳制造技术方面经验丰富,常常是创新的发源地。然而,就经济而言,这种潜能在多大程度上能够使得欧洲与世界上其他地区抗衡,为此开展的探究却犯了一个系统错误。这可以从最新出版的欧洲科技创新发展报告中得到印证。这是根据里斯本战略,在欧洲委员会的推动下,开展对欧盟成员国创新绩效的评估与比较。

根据这份报告,尽管创新的差距正在缩小,尤其是相对于美国,但欧盟依旧落后于美国和日本。在图1中,纵坐标代表的是欧盟成员国与美国和日本总体创新指数之间的差异。总体创新指数是用来评价一个国家总体创新绩效的宏观指标。由图可见,从自身的创新性来说,MINAM在维持欧洲经济、保持或开创生产基地方面具有举足轻重的作用。

三、经济影响

获得或保持领先竞争对手的优势将维持强劲的经济、提供动力以满足社会需求,而微纳制造技术能力正在成为这其中的关键使能因素。

1.微纳制造在各工业部门中的应用

欧洲微系统协会——NEXUS的微系统/微机电系统(MST/MEMS)市场分析报告(2004-2009)给出了微纳制造技术对各经济部门的直接影响的量化分析以及未来趋势。这项研究的结论认为,由于具有低制造成本、紧凑的尺寸、低重量、低能耗以及改进的智能和多功能性等一系列特性,微系统(包括MST/MEMS)传感器和致动器正在已确立市场中巩固其地位并寻找新的应用。报告预测,2004~2009年间,包括26种MST/MEMS产品在内的市场将以16%的年均速度增长,从2004年的120亿美元增长到2009年的250亿美元。

2.高技能就业源泉

根据里斯本目标,到2010年,每个成员国应将GDP的3%投入到研发,以使欧洲成为全球最具竞争力的地区。目前,由于其发展良好的技术创新和新技术(微、纳、光、生物)产业化开发应用,欧洲已经拥有了一定的优势。尽管目前欧洲的发展与创新能力已经较强,但仍存在这样的风险:年轻的熟练雇员无法满足技术开发向产业应用转化的需求。

目前,技术开发和工业需要对于技能认证的需求已经超过学校的课程设置。在过去几年中,博洛尼亚目标的实施加速了这一进程。但必须看到(这也正是面临的挑战),现在培训的工程师在未来10~15年将成为产品和工艺的开发者。因此,他们今天也需要针对未来需求的培训认证。不过技术的迅速发展也提出这样一个问题:什么样的战略适于未来科学家的教育与“终身学习”?

正如技术转移所需,应将公司的雇员整合到一个学习过程中,使他们能够在产品和工艺中再造并充分利用技术进展。对新技术的功能和应用潜力的理解对于卓越的技术进展在工业应用中的快速传播至关重要。

3.日益增加的科技和工业竞争力

微纳制造技术可以帮助企业、产业形成竞争优势。得益于私营部门和公共部门之间的合作,它们的快速发展提升了许多不同应用领域的欧洲公司的市场份额,促进了协作研究。需要强调的,产业界和学术界的合作在增加公司的市场实力上发挥了重要作用;这种合作使得那些阻碍创新、新技术与高水平的教育需求等进展的问题的解决变得更为容易。

在过去的几年中,全球各地的研究机构和大学已开始集中研究微观和纳米尺度现象、器件和系统。虽然这一领域的研究产生了微纳制造方面的先进知识,但很显然,这些知识的产业应用将是增强这些技术未来增长的关键。虽然在这些领域的大规模生产方面已经取得了进步,但微纳制造技术的主要生产环境仍然是停留在实验室中,在企业的大规模生产环境中难得一见。这就导致企业在是否采用这些技术方面犹豫不决,担心它们可能引入未知因素,影响制造链的性能与质量。就这一点而言,投资于基础设施的发展,如更高的模块化、灵活性和可扩展性可能会有助于生产成本的减少,对于新生产平台成功推广至关重要。这将有助于吸引产业界的积极参与,与领先的研究实验室一起推动微纳产品的不断升级换代。

四、纳米材料制造

图3是纳米材料制造的前景展望,着重指出了相应的制造技术在未来的预期发展。该展望是基于“纳米制造”路线图进行的,路线图则是根据MINAM纳米制造工作小组的成员遴选的发展趋势,他们设计出调查问卷并由有关组织和成员进行分发,同时也得到了主要专家的指导。问卷于2006年4月底发布在工作小组的网站上(www.nanomanufacturing.eu),为了得到尽可能多的反馈,该问卷是公开的。100多个有效的反馈已被重点关注,并继续致力于推动路线图工作。

根据该路线图,一些技术已经成功地用于纳米材料的制造和加工(如溶胶-凝胶法、先进PVD法、等离子体合成)。另一方面,大量在应用研究领域所熟知的技术有望在5到6年时间内实现产业应用(如自组装、原位合成)。路线图也特别指出,纳米制造的市场正初露端倪,尤其是在电子、能源、航空航天、汽车、生命科学与医药等市场,其未来取决于纳米制造的发展。

图3给出了纳米材料制造领域未来几年必然的进展情况。以下几点值得特别关注:(1)经济和自动化的工业生产以及纳米颗粒功能化所需的加工过程与装备;(2)块体纳米材料经济和自动化的工业生产所需的加工过程与装备;(3)纳米颗粒制造和功能化的生产环境。

五、纳米表面制造

纳米表面至少包含一种尺度特征在100nm以下的结构。纳米表面的制备既与表面功能化(纳米薄膜)相关,又与表面构建(纳米形貌特征、纳米簇涂层)相关。

“纳米制造”路线图强调了未来纳米表面制造的发展。问卷调查探寻了纳米表面制备所面临的机遇。调查中提出的问题旨在获取纳米表面特征的相关信息:这种纳米表面结构可以是形貌化、薄膜化的改良表面区域,也可以是具有相位调制或一定晶粒尺寸的涂层。这类结构构建于众多固体材料表面,如金属、陶瓷、玻璃、半导体和聚合物等。图4总结了调查结果与发现,并阐明了未来纳米表面制造的前景。

纳米表面可产生自材料的消解、沉积、改性或形成过程。这导致制备出的纳米表面带有纳米尺度所特有的新的化学、物理和生物特性(比如催化作用、磁性质、电性质、光学性质或抗菌性)。

在纳米科学许多已有的和新兴的子领域中,表面工程已经实现了从基础科学向现实应用的转变,比如材料科学、光学、微电子学、动力工程学、传感系统和生物工程学等。在改进和简化生产过程方面,还需要做许多工作才能降低高品质纳米表面的生产成本。可重复性、尺寸形状的控制、均匀性以及结构的鲁棒性等,都是工业生产过程中必须要考虑的关键参数。

未来纳米制造将重点关注:(1)高品质纳米构筑和涂覆工艺与设备;(2)高品质表面功能化和纳米分层(nanolayering)工艺和设备。

六、微器件制造

微尺度产品或者是包含外形尺寸或功能性在微米范围内的器件,或者是包含具有微结构特征(从数百微米到数百纳米)的器件。

持久的挑战是生成三维部件或形态,以及选择和开发能同时满足功能要求和经济性要求的工艺。在大批量生产中,基于模具(模式)的复制通常是最为合适的;而在小批量生产环境中,那些不需求产品特定的工具作业的工艺通常更具经济性。一个趋势是将功能性(如互联和接口)集成到器件中,以减少零部件数量和装配成本。图5给出了微器件制造领域的可能进展。

即使面临尺寸不断减少的挑战,仍然可以通过为加工过程链确定合适的工艺、设备、工具和技术,使其能够满足新兴单一材料和多材料产品的特定功能要求和技术要求,并确保整个制造链中材料和加工技术的兼容性,使微制造能力的范围进一步扩大,以涵盖更大范围的材料和几何造形。除上述要求外,这种制造能力的形成还需满足:(1)同步设计产品和工艺/过程链,以满足新兴单一材料和多材料产品的特定功能要求和技术要求;(2)整个制造链中材料和加工技术的兼容性;(3)弥合“机械式”的超精密工程和基于MEMS/IC的技术间的缺口;(4)各种尺度规模在新产品中的集成,特别是介观、微观和纳米尺度特征在新产品中的集成;(5)便于新兴多材料产品进行功能集成的新方法和新技术;(6)建立新的硬件方法,构建更好的制造平台。

未来几年,微器件制造的重点是:(1)微制造工艺技术;(2)适于批量生产的微制造工艺链;(3)多功能、多材料介观、微观装置的微装配工艺。

七、微纳制造集成系统与平台

无论是大批量还是小规模生产定制产品,都需要开发新一代的模块化、知识密集的、可升级的和可快速配置的生产系统。而这将用到那些新近涌现出来的微纳技术研究成果以及新的工业生产理论体系。给出了微纳制造系统与平台的发展前景。

研究应着眼于开发一种新型的可配置、可升级的微纳制造平台和系统,以降低大批量或是小规模定制产品的生产成本。新一代微纳制造系统应满足下述要求:(1)能生产多种多样高度复杂的微纳产品;(2)具有微纳特性的组件的小型化连续生产;(3)为了掌握基于整个生产加工链制造的知识,新设计和仿真系统的产品开发过程的全部跨学科知识进行条理化和储存;(4)为了保证生产的灵活性和适应性,应确保在分布式制造中各企业的有效合作,以支撑通过新型商业生产、管理和物流方法来实现的中小型企业在综合制造网络中的有效整合;(5)是一个拥有更高级的智能和可靠性、可根据相应环境自行调整设置及生产加工参数的、可嵌入整个生产制造行业的制造系统;(6)新型可快速配置和价格适中的微纳制造系统,融入了面向任务和可重复配置的理念,能够实现连续的系统升级和无缝重复配置。

未来几年微纳制造系统和平台的发展前景包括以下几个方面:(1)微纳制造系统的设计、建模和仿真;(2)智能的、可升级的和适应性强的微纳制造系统(工艺、设备和工具集成);(3)新型灵活的、模块化的和网络化的系统结构,以构筑基于制造的知识。

八、结论

MINAM的一个重要的战略研究议题就是在全欧洲范围内促进微纳技术的研究和开发,鉴定涌现出来的新趋势,对未来研发投资进行战略指导,以在微纳制造技术领域内实现欧洲可持续的领导地位。另外,MINAM还将在4个关键领域确定战略研究的优先级:纳米材料的制造、纳米表面的加工、微制造加工和集成的微纳制造系统/平台的开发。

值得注意的是,微纳制造业是一个高度资金密集和知识密集产业,因此对于新技术的开发投资必须由风险投资者、高校研究组织和公共团体协作完成。

作者:调研申诉部 编辑:秘书处

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