智能制造產業的主要領域和發展特征

2020-12-07

近年來，制造業重新獲得發達國家的重點關注，譬如德國工業4.0戰略、美國先進制造業戰略等，發達國家再制造業化推動了智能制造時代的加快到來。

近年來，制造業重新獲得發達國家的重點關注，譬如德國工業4.0戰略、美國先進制造業戰略等，發達國家再制造業化推動了智能制造時代的加快到來?！吨袊圃?025》作為制造強國戰略的行動綱領，明確以智能制造為主要方向，包括數控機床、工業機器人、增材制造設備、非標自動化設備、智能工廠等，加快應用融合新一代信息技術和先進制造技術的新型生產方式?；跂|灘產業內參《智能制造產業投資趨勢及發展模式》，本文對智能制造產業的主要領域和發展特征做一個梳理。


1、產業界定和產業分類

　　產業界定：數控機床是數字控制機床，是一種裝有程序控制系統的自動化機床，較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能自動化機床。

　　產業分類：根據數控機床的性能不同，分為高檔數控機床、中檔數控機床、低檔數控機床。高檔數控機床具有高速、精密、智能、復合、多軸聯動、網絡通信等功能。


2、市場和格局：寡頭市場模式，高檔領域仍被外資把持

　　市場規模：2019年全年我國數控機床產業低位運行，產量較前年下降。2017年金屬切削機床全年累計產量64.3萬臺，2018年累計產量48.9萬臺，2019年累計產量41.6萬臺，連續兩年下降。

　　行業格局：縱觀低檔、中檔、高檔三個層次，國產化率均有顯著提升。目前低檔、中檔市場基本被國內企業占據，高檔仍是外資的天下。2018年，數控機床行業市場規模前5名企業市場份額為63.25%，前10名企業市場份額為85.38%，屬于寡頭市場模式。


3、發展趨勢：向智能化、柔性化、集成化、多元化發展

（1）需求結構升級，產品向智能化、柔性化方向深入
　　從供給側看，《中國制造2025》將“高檔數控機床”列為未來十年制造業重點發展領域之一。從需求側看，工業4.0的到來要求通過智能工廠、智能車間、智能生產線等設備實現生產和流通的智慧化。與此相適應，數控機床必須向智能化、網絡化、柔性化發展以滿足工業4.0時代的深層需求。

（2）應用領域拓寬，應用行業走向分化

　　受鋼鐵行業、傳統制造業產能過剩的影響，數控機床行業的市場需求開始萎縮，市場供過于求。隨著網絡基礎設施的建設和互聯網生態的發展，智能手機、平板電腦、可穿戴設備等消費電子產品快速發展，有力地推動了該領域的輕型切削數控機床的發展。

（3）服務模式升級，由單一產品銷售向系統集成方案發展

　　近年來，下游企業對廠商提出新需求，趨向于與具備成套的設備生產能力、提供全套解決方案或承擔更為復雜的工程總承包項目的能力、自動化系統改造的能力的供應商合作。


1、產業界定和產業分類

　　產業界定：機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器，既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據人工智能技術設定的規則行動。工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，包括焊接、裝配、噴涂、處理、搬運和分揀等不同作業領域的機器人。

　　應用領域：在汽車、電子電氣、橡膠與塑料、機械制造、食品、化工、冶金等行業獲得廣泛應用。


2、市場和格局：我國工業機器人市場進入洗牌期，國產替代任重道遠

　　市場規模：自2013年起，我國已經成為全球最大的工業機器人市場，工業機器人產業也隨之快速增長，月產量穩定在1-2萬臺之間；2018年9月起，我國工業機器人產量和銷量同比從多年的高增長轉變為負增長，持續時間長達一年多，市場進入洗牌期。

　　行業格局：2018年外資品牌占比73%，以“四大家族”發那科、ABB、安川、庫卡為主，分別占18.0%、17.0%、12.0%、10.3%；國產品牌中領先企業為埃斯頓、眾為興、歡顏、匯川、埃夫特，分別占比8.6%、7.2%、5.9%、4.7%、4.4%；核心零部件如控制系統、減速器、伺服系統等仍依賴進口。


3、發展趨勢：向智能化、復合化、行業應用多元化發展

（1）產品智能化
　　隨著人工智能、大數據、云計算等基礎技術的發展，以及多種方法混合技術、多專家系統技術、機器學習、硬軟件一體化和并行分布處理技術的進步，未來工業機器人將向更加智能化的方向發展。未來工業機器人將擁有更高的智能程度，學習能力、邏輯分析能力、解決問題的能力都將提升。

（2）應用多元化

　　隨著工業機器人的智能化逐漸升級，賦予機器人不同程度的類人智能，可實現“感知-決策-行為-反饋”的閉環工作流程，解決生產中更多維度的問題。智能機器人不斷衍生進化出復雜功能和新型功能，市場激發多元化需求，應用領域持續拓寬。

（3）復合化發展

　　傳統工業機器人只具備單一功能，未來的發展方向則是同時涵蓋多種功能，實現復合化發展。使用AGV、機器視覺等技術代替人的“手”、“腳”、“眼”等功能。相比于傳統工業機器人，復合機器人提供了柔性自適應的能力，代替人工將工裝、工件在車間進行周轉、配送，實現無人柔性制造。


1、產業界定和產業分類

　　產業界定：俗稱3D打印，融合計算機輔助設計、材料加工與成形技術、以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。


2、市場和格局：行業步入成長期，產業生態圈趨于完善

　　市場規模：2012-2017年，我國增材制造(3D打印)市場規模快速增長，在國際市場中的份額從7%增加到21%。2018年我國增材制造(3D打印)產業規模為120億元，2019年產業規模為157.5億元，較2018年增加31.1%，繼續保持快速增長態勢。

　　應用領域：我國3D打印市場應用程度不斷深化，在航空航天、汽車、船舶、核工業、模具等領域得到廣泛應用。航空航天、工業機械、汽車3個行業占比繼續擴大，達到總市場份額的50%以上。

　　發展階段：經過多年的發展，我國3D產業由導入期步入成長期，已經形成比較完整的產業鏈。以高?？蒲袡C構為主的3D技術研究不斷取得進步，專利申請數量逐年增多；上游原材料推出復合型石膏粉末、環氧樹脂、蠟制材料等；中游打印設備及服務皆有企業涉足；下游航空航天、汽車、醫療等眾多領域不斷拓展。


3、發展趨勢：向材料多元化、技術復合化、生產方式柔性化發展

（1）以萬物打印為方向，材料多元化發展

　　塑料材料開啟增材制造熱潮。有機高分子主要有工業塑料、光敏樹脂、橡膠材料等，可應用于航空航天、汽車工業、家用電器、醫療器械等多種領域；是3Dsystem、Stratasys等國際大型增材制造材料生產商的主營方向。

　　金屬與陶瓷材料突破技術創新。金屬以鈦合金、鋁合金為主，主要面向航空航天、汽車制造、醫療器械等方向，是未來的重點材料；陶瓷硬度高、成本低、脆，還在繼續性能研發中，主要面向航空航天、牙科醫療等應用方向。

　　生物材料暢想未來萬物打印。生物材料是未來3D打印的焦點，目前還在研發起步階段；Zimmer、Stryker、smith nephew、ohnson Johnson等陸續推出了3D打印產品并已獲得了FDA的批準正式進入到醫療市場。

（2）以整體打印為方向，技術復合化發展

　　技術復合化實現整體打印是未來的發展趨勢。目前增材制造產業基本以單種材料生產單種零件為主要生產方式，多種材料與多種技術融合于一體尚在開發試驗階段。由于設計模型的復雜性，使得零部件生產后的組裝存在很大阻礙，如果能夠實現整體打印，對于未來的生產制造將會實現巨大突破。不僅能夠節省時間與成本，還能同時省去焊接等步驟，實現結構一體化，從而實現整機更加穩固。

（3）以市場需求為方向，生產方式柔性化發展

　　技術基礎和市場需求推動生產變革。智能制造、互聯網技術、人工智能產業等一系列高科技在近年來愈演愈烈，許多不可能成為可能，這些技術的發展，為個性化定制提供了技術基礎，使個性化定制撕去了“昂貴”的標簽。


1、產業界定和產業分類

　　產業界定：非標自動化設備定義就是用戶定制的、用戶唯一的、非市場流通的自動化系統集成設備，是采用按照國家頒布的統一的行業標準和規格制造的單元設備組裝而成，是根據客戶的用途需要，開發設計制造的設備。

　　市場規模：2017年我國非標自動化裝備市場規模3499.9億元，同比增長6.2%；2018年我國非標自動化裝備市場規模3667.2億元，同比增長4.8%。隨著非標自動化機械的不斷擴大普及，預計在2020年市場規模將突破4000億元。

　　應用領域：與一般的標準自動化設備相比非標自動化設備不僅需要考慮生產流程，還需要根據相關的生產場所或置放環境，以及產品加工的特點來進行一個量身定制。國內的主要需求分布在汽車、加工、電子電器、物流及食品等行業。


2、激光設備：中國占據全球一半以上市場份額

　　產業界定：激光作為一種先進加工技術可以完美融合到智能制造解決方案中，在涵蓋切割、焊接、標記等工藝中廣泛應用。無論是對品質可控的需求、對生產效率和產品效能的需求、對個性定制的需求，都可以滿足。

　　市場規模：我國激光設備市場增長迅速，2017年中國激光設備市場銷售規模超495億元，占據全球一半以上市場份額；2019年市場銷售規模為658億元，同比增長8.76%，增速有所放緩。

　　行業格局：我國激光中低端產品具有絕對優勢，高端產品國產化率增強。2019年國內共有規模以上激光企業超過150家，多數企業集中在激光器制造和激光加工領域。在中低功率的激光設備市場中，大族激光與華工科技占據超過一半的市場份額，高功率國產產品實現部分銷售，是下一個國產替代的方向。

　　發展趨勢：超快激光是未來的發展重點，與傳統激光相比可進行精密冷加工。

在消費電子領域的應用

　　?手機鋼化玻璃/藍寶石板切割鉆孔

　　?智能手表藍寶石蓋板切割

　　?手機/智能手表OLED屏體切割

　　?攝像頭柔性線路板模組切割

　　?大尺寸液晶屏偏光片切割

　　?指紋識別模組玻璃切割

　　?OLED屏體用偏光片切割

在醫療美容領域的應用

　　?飛秒激光治療眼科手術

　　?心臟支架的超精密切割：激光切割、等離子切割、電火花加工、光蝕刻等

　　?祛痣祛斑祛黑色素

　　?祛紋身

　　?嫩膚

在航空航天領域的應用

　　?新型超高溫單晶材料和高精度復雜微結構制造：西安光學精密機械研究所率先攻克難題，實現了對高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細冷加工”

　　?航空濾網清洗

　　?引擎噴油嘴打孔

在光伏能源領域的應用

　　?鈣鈦礦薄膜太陽能電池制造是光伏產業新的發展方向，具有取代現有晶硅太陽能電池產業的潛力。在鈣鈦礦薄膜太陽能電池的精密加工過程中，超快激光加工起著至關重要的作用。


3、鋰電自動化設備：國內企業占據主導地位

　　產業界定：鋰電自動化設備泛指在鋰電池出產過程中使用的各種制作設備。鋰電池出產工藝較長，出產過程有50多道工序，相應需求50多種設備來完結各道工序的制作，主要設備包括制片機、卷繞機、摸切機、疊片機、注液機等。

　　市場規模：中國2018年鋰電生產設備需求達206.8億元，同比增長18.2%；其中國產設備產值達186.1億元，同比增長20.1%。

　　行業格局：在行業起步初期，日韓設備性能比國產設備好，隨著中國龍頭電池企業的發展，部分國產設備優于日韓設備。目前，中國鋰電自動化設備企業較多，涉及到核心技術、規模較大的企業數量較少，規模上億元的企業有10幾家。


1、產業界定和產業分類

　　產業界定：智能工廠是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統等新興技術于一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。


2、離散型制造：推動企業全業務流程智能化整合

　　產業界定：離散型制造的產品通常被分解成很多一系列并不連續的工序加工完成，每一道工序只由企業的一個部門承擔。流程型制造領域通過搭建智能工廠，推進數字化設計、裝備智能化升級、工藝流程優化、精益生產、可視化管理、質量控制與追溯、智能物流等應用，推動企業全業務流程智能化整合。

　　代表行業：機械、航空航天、汽車制造、船舶、輕工業、服裝、醫療器械、電子信息等。

案例鏈接：

三一重工18號廠房

　　三一重工是重工領域的標桿，其18號廠房是應用基礎的示范。18號廠房是面積約10萬平方米的車間，是三一重工總裝車間，有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線，是工程機械領域內頗負盛名的智能工廠。


3、流程型制造：提升企業降本增效、安全生產等方面的智能化水平

　　產業界定：流程制造是指被加工對像不間斷地通過生產設備，通過一系列的加工裝置使原材料進行化學或物理變化，最終得到產品。流程型制造領域通過搭建智能工廠，提升企業在資源配置、工藝優化、過程控制、產業鏈管理、質量控制與追溯、能源需求側管理、節能減排及安全生產等方面的智能化水平。

　　代表行業：石油開采、石化化工、鋼鐵、有色金屬、稀土材料、建材、紡織、食品、醫藥、造紙等。


4、市場和格局：行業處于初創期，市場快速增長，參與主體活躍

　　市場規模：智能工廠是現代制造業、現代工業的發展趨勢，是實現制造業企業轉型升級的路徑，預計未來將保持10%以上的年增速增長，在2022年突破萬億元的市場規模。

　　主體類型：中國智能制造系統解決方案供應商聯盟將智能工廠的建設主體分為三類，分別是綜合型整體解決方案供應商、由設計單位或科研院所發展而來的智能工廠解決方案供應商，以及以提供三維數字化模型為主的供應商。


5、發展趨勢：智能工廠是未來制造業、現代工業的發展方向

（1）從生產過程數字化到智能工廠

　　在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫藥、食品等流程制造領域，企業發展智能制造的內在動力在于產品品質可控，側重從生產數字化建設起步，基于品控需求從產品末端控制向全流程控制轉變。

（2）從智能制造生產單元到智能工廠

　　在機械、家用電器、電子信息等離散制造領域，企業發展智能制造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基于生產效率和產品的效能提升實現價值增長。

（3）從個性化定制到智能工廠

　　在家電、服裝等靠近下游用戶的消費品制造領域，企業發展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現規模經濟生產，側重通過互聯網平臺大規模個性化定制模式的創新。



- END-