材料，才是美國“再工業(yè)化浪潮”中的主角。定睛看去，材料是美國制造創(chuàng)新最為熱鬧的領(lǐng)域。

    作為美國第五個(gè)成立的IACMI（先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新中心），它留給我們的思考，卻不限于材料本身。而是一個(gè)頂層的創(chuàng)新中心設(shè)計(jì)，需要思考三個(gè)問題，如何構(gòu)建一個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)？如何建立一個(gè)高效運(yùn)行的商業(yè)系統(tǒng)？還有，如何設(shè)定復(fù)合材料未來應(yīng)用前景與目標(biāo)？

    一個(gè)創(chuàng)新研究院，連接一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。美國IACMI正在走向這樣的道路。

    與輕質(zhì)材料創(chuàng)新中心LIFT不同，IACMI主要聚焦于先進(jìn)復(fù)合材料的制造，為了更清晰地了解為何要聚焦于此，我們有必要了解一下IACMI所瞄準(zhǔn)的工業(yè)領(lǐng)域，汽車、CGS儲(chǔ)罐、風(fēng)力發(fā)電葉片這都是幾個(gè)非常重要的市場。本文從汽車應(yīng)用開始說起。

    福特說了，減重！

    事實(shí)上，減重設(shè)計(jì)自一開始，就伴隨著汽車行業(yè)的發(fā)展。亨利。福特早在1922年就說過如此驚人的話語，“過重將扼殺任何自動(dòng)車輛”。他進(jìn)一步咆哮道，“有很多關(guān)于重量的愚蠢想法—任何人建議說該增加重量或增加一個(gè)部件的時(shí)候，我都會(huì)尋找降低重量和消除部件的方法”。

    這樣的想法，在將近100年之后，仍然回蕩在美國制造業(yè)的上空。

    2012年奧巴馬政府宣布了嚴(yán)格的車輛燃燒效率標(biāo)準(zhǔn)，要求美國的車輛在2025年油耗標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到平均54.5英里/加侖。如此苛刻的目標(biāo)，減重設(shè)計(jì)將成為提高運(yùn)輸設(shè)備能源效率的重要手段。

    例如，10%的汽車重量的降低，對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言會(huì)帶來6%-8%的能耗效率改善，而對于電動(dòng)汽車而言則可以達(dá)到10%以上。

    圖1-不同材料的單位剛度與強(qiáng)度
    來源：劍橋大學(xué)

    如圖1所示，在同等強(qiáng)度下，與鋼組件相比，復(fù)合材料可以明顯降低重量。例如，采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料可以降低25-30%，而采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP），則可以將重量下降到驚人的60-70%。

    圖2同樣顯示了各種材料在汽車減重設(shè)計(jì)中的變化及預(yù)測，越來越多的輕質(zhì)材料被用于讓汽車變得更輕。

    圖2-汽車減重的材料構(gòu)成變化
    來源：U.S DoE,2010

    如果成本和制造難題可以被解決的話，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有最大的減重潛力。這也是IACMI為什么會(huì)聚焦于此，并以降低其成本與制造難度為目標(biāo)的原因，圖3顯示了其三大目標(biāo)。

    圖3-汽車產(chǎn)業(yè)采用CFRP技術(shù)的三大目標(biāo)

    來源：IACMI  2016

    這是一個(gè)再次改變汽車面貌的時(shí)刻。

    倒吸涼氣看背景

    2015年1月，美國前總統(tǒng)奧巴馬宣布成立復(fù)合材料創(chuàng)新中心在田納西成立州正式成立，“開發(fā)比鋼更輕更強(qiáng)的材料”，成為奧巴馬的豪言，“這個(gè)中心將成為122個(gè)公-私合作伙伴共同的家，他們將共同構(gòu)建團(tuán)隊(duì)來”。

    圖4-2015年奧巴馬總統(tǒng)宣布IACMI成立

    “減重對于我們的未來至關(guān)重要”，隨后，副總統(tǒng)拜登也緊接著在底特律IACMI的實(shí)驗(yàn)室開幕式喊道，“如果我們想擁有21世紀(jì)的創(chuàng)新，復(fù)合材料是促成這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要條件，這就是為什么我們4000萬美元投資于位于底特律的IACMI的原因。”

    圖5-2015年美國副總統(tǒng)拜登為IACMI底特律汽車復(fù)合材料中心揭牌

    IACMI是NNMI的第五個(gè)制造創(chuàng)新中心，由美國能源部下屬的先進(jìn)制造辦公室予以支持，獲得了來自產(chǎn)業(yè)、州、大學(xué)以及其它伙伴的資助。IACMI屬于公私合作性質(zhì)，旨在提高美國國內(nèi)生產(chǎn)能力，發(fā)展制造業(yè)以及創(chuàng)造美國復(fù)合材料工業(yè)領(lǐng)域更多的職位其，將聚焦在如何降低復(fù)合材料的成本、能耗以及其可回收利用的特性，主要包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP，尤其是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料CFRP。

    這些材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，具有巨大的市場潛力。IACMI將幫助美國產(chǎn)業(yè)界實(shí)現(xiàn)成本與生產(chǎn)率的目標(biāo)，不僅包括更低的能耗和溫室氣體排放，也包括加速纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（FRP）整個(gè)壽命周期的能耗效率目標(biāo)—產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聚焦于交通、壓縮氣存儲(chǔ)和風(fēng)力發(fā)電。

    圖6-IACMI聚焦五大技術(shù)專題
    來源：IACMI，南山工業(yè)書院整理

    IACMI支持5個(gè)技術(shù)專題，如圖6所示，一個(gè)是三個(gè)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車工業(yè)、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域、壓縮氣存儲(chǔ)CGS。還包含兩個(gè)交叉學(xué)科：設(shè)計(jì)/建模/仿真、材料加工工藝。

    為此，IACMI正在開發(fā)技術(shù)路線圖，以識別在復(fù)合材料制造方案領(lǐng)域特別重要的，且對達(dá)成IACMI目標(biāo)必要的技術(shù)與主題。

    精心挑選的區(qū)域布局

    IACMI主要以區(qū)域進(jìn)行劃分，其分布在產(chǎn)業(yè)較為密集的幾個(gè)區(qū)域，包括科羅拉多、密歇根、俄亥俄、田納西這些地區(qū)。

    圖7-IACMI的成員分布

    來源：IACMI

    從圖7的地圖上可以看到：

    ☆汽車生產(chǎn)大于70%都位于IACMI所在的州；

    ☆汽車研發(fā)的70%設(shè)立在密歇根地區(qū)

    ☆科羅拉多地區(qū)有比其它任何州更多的葉片設(shè)施（工廠及技術(shù)中心）

    ☆NREL是在科羅拉多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

    60%的壓縮氣體設(shè)備制造在距離IACMI聚焦的區(qū)域半天的車程內(nèi)。

    這里可以看到IACMI的特點(diǎn)是圍繞著區(qū)域進(jìn)行聚焦的，這些地區(qū)有著明顯的產(chǎn)業(yè)分布特征。這給了我們一個(gè)意味深長的啟發(fā)。創(chuàng)新中心一定是因地制宜、就地取材。

    貼近本土的產(chǎn)業(yè)集群，才是創(chuàng)新中心最好的誕生之地。

    那些五花八門的成員呀

    IACMI的成員，可以說是五花八門，包括了大型的終端用戶，如波音、洛克希德。馬丁、大眾汽車、福特汽車、陶氏化學(xué)、BASF、Dupont，這些企業(yè)分別屬于化學(xué)、材料、汽車、風(fēng)電、天然氣儲(chǔ)罐等各個(gè)領(lǐng)域，包含了用戶、OEM制造商、服務(wù)廠商、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，圖8顯示其結(jié)構(gòu)。

    圖8-IACMI成員構(gòu)成（截止2016年底）

來源：IACMI,

    如果說五花八門就是物種多樣性的話，那么IACMI的本質(zhì)是生態(tài)系統(tǒng)。將這些生態(tài)鏈上的企業(yè)都聚焦起來，由創(chuàng)新中心組織專家進(jìn)行項(xiàng)目的協(xié)調(diào)。值得關(guān)注的是，政府在其中扮演的角色本身是比較弱的，仍然是以非盈利的中立組織來進(jìn)行專業(yè)協(xié)同。而協(xié)同效應(yīng)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

    （1）終端用戶的研發(fā)需求直接上位

    需求被直接的導(dǎo)入到相關(guān)企業(yè)：對于一個(gè)研發(fā)企業(yè)而言，最為重要的是如何獲得客戶需求，這樣會(huì)降低本身的研發(fā)成本，避免走彎路也是研發(fā)成本的節(jié)省。

    （2）資源的分享

    對于一個(gè)公司而言，有些研發(fā)是非常必要的，但是，對一個(gè)產(chǎn)業(yè)而言，每個(gè)相類似的公司進(jìn)行了相關(guān)的研究而不向其它人公開的話，這個(gè)研發(fā)成本的投入就會(huì)產(chǎn)生疊加為整個(gè)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)成本，因此，通過IACMI，避免重復(fù)的研發(fā)投入也會(huì)帶來整個(gè)產(chǎn)業(yè)成本的下降。

    （3）軍轉(zhuǎn)民

    美國政府每年在國防部、NASA、Air Force研發(fā)投入巨大，形成的技術(shù)、知識如何轉(zhuǎn)化為民用，是美國軍民一體的巨大先天性優(yōu)勢。這使得已有的研發(fā)投入所獲得的結(jié)果，可以被整個(gè)美國產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)企業(yè)所分享。

    產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是IACMI的本質(zhì)，其旨在在降低“美國該領(lǐng)域的整體產(chǎn)業(yè)成本”，進(jìn)而提升美國制造業(yè)在該領(lǐng)域的研發(fā)成本，獲得更大的競爭力。

    處處都見馬步功夫

    IACMI技術(shù)路線圖的預(yù)研與設(shè)立，給了我們巨大的啟發(fā)意義。IACMI的設(shè)立由知名的咨詢公司Nexight集團(tuán)為其提供前期的預(yù)研與調(diào)研，Nexight進(jìn)行了前期文獻(xiàn)綜述、專家訪談、企業(yè)訪談、IACMI內(nèi)部Workshop一系列活動(dòng)對IACMI的目標(biāo)、每個(gè)領(lǐng)域所遇到的挑戰(zhàn)、里程碑的設(shè)定、高優(yōu)先級開發(fā)項(xiàng)目等全程參與，如圖9。

    圖9-IACMI路線圖設(shè)計(jì)過程

    信息：IACMI

    IACMI有兩次重要的Workshop，這些Workshop聚焦于如何為項(xiàng)目設(shè)定里程碑，以及包括關(guān)鍵技術(shù)突破、項(xiàng)目申報(bào)等的培訓(xùn)，以使得每個(gè)IACMI成員公司可以充分了解組織的目標(biāo)、推進(jìn)各自的研發(fā)與資源分享。

    在這個(gè)方面，IACMI邀請了Nexight集團(tuán)為其進(jìn)行前期咨詢服務(wù)。這種針對產(chǎn)業(yè)的專業(yè)研究，的確需要專業(yè)的公司來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樽稍儽旧砭褪且环N具有其自身的方法論與工具的服務(wù)項(xiàng)目，其也有專業(yè)性，包括這類戰(zhàn)略性規(guī)劃的制定。依靠于專家的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)固然是非常重要的，但是依賴于如何設(shè)計(jì)流程、評估可行性、以及使用規(guī)范統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的評估方法、建模這些也同樣是“術(shù)業(yè)有專攻”。

    這個(gè)對于中國的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等協(xié)同自然也是非常必要的。

    后記

    在已經(jīng)成立的14個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新中心中，材料赫然占據(jù)三個(gè)，包括復(fù)合材料、輕型材料LIFT和AFFOA智能纖維與材料。考慮增材制造中，材料也是一個(gè)重點(diǎn)。那么如此看來，美國制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，在“材料”這方面是投下重兵圍剿。

    就在一個(gè)月前，國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會(huì)成立大會(huì)在北京召開，國務(wù)院馬凱副總理成為領(lǐng)導(dǎo)小組組長。這是一個(gè)值得振奮的信號。此一刻，仔細(xì)端量美國材料創(chuàng)新中心的生態(tài)本質(zhì)和運(yùn)行機(jī)制，更是箭在弦上的事了。

    注：本文為南山工業(yè)書院NNMI尼米工作組研究成果，致力于研究美國制造業(yè)創(chuàng)新中心的解讀。本內(nèi)容得到賽迪研究院的支持。

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