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制造业迎来技术大变革时代

制造业的六大技术的创新发展都会给制造业带来重大的变革。而在同一时期,这六大技术同时取得跨越式发展,都交相辉映,协同应用,因此,制造业已经进入了一个伟大的大变革时代。

   上周我在美国参加了西门子全球产业分析师会议,深深感到由于一系列关键技术的发展与融合应用,全球制造业迎来技术大变革的时代。

   首先是一系列关键技术的蓬勃发展和国际主流公司的高度关注。

   增材制造(三维打印)。相关厂商开始进军该领域,例如惠普推出能够打印真彩色和多种材料的多射流熔融(Multi-Jet Fusion)技术的3D打印机(型号分别是3200和4200),宣称打印速度比其他三维打印机快十倍;欧特克推出基于DLP技术(数字光处理,Digital Light Processing)的Ember三维打印机和开放的Spark三维打印平台,该平台已与Windows10操作系统进行了集成。2016年9月6日,GE出资6.85亿美元收购瑞典著名工业级3D打印机制造商Arcam公司,Arcam公司拥有电子束熔融(EBM)金属3D打印技术,是全球顶尖的金属3D打印设备供应商之一。GE在美国匹兹堡设立了增材制造工厂,西门子则在瑞典设立了增材制造工厂。最近,由华中科技大学张海鸥教授主导研发的“铸锻铣一体化”金属3D打印技术,成功制造出了世界首批3D打印锻件。运用该技术生产零件,其精细程度比激光3D打印提高50%。同时,零件的形状尺寸和组织性能可控,大大缩小产品周期。该技术以金属丝材为原料,材料利用率达到80%以上,而丝材料价格成本仅为目前普遍使用材料的十分之一左右。在热源方面,因使用高效廉价的电弧,成本也只需进口激光器的十分之一。

Autodesk推出的三维打印机Ember

Autodesk推出的三维打印机Ember

   物联网应用。此在次西门子产业分析师大会上,西门子重点强调了Mindshpere,该平台的定位是开放的工业云平台,可以接入各种传感器的信息,制造企业可将其作为数字化服务,例如预测性维护、能源数据管理以及工厂资源优化的基础。Mindsphere的定位类似GE的Predix,是工业物联网应用的基础数据接入平台,PTC于2016年2月并购的Kepware也属于类似的物联网数据采集与接入平台。在物联网应用开发平台方面,PTC已经先行一步,形成了以ThingWorx为基础的整体解决方案,可以用于开发各种物联网应用。IBM、微软、INTEL、ORACLE、SAP等主流IT厂商也纷纷将物联网作为主攻方向,ANSYS也推出了支持物联网应用的仿真解决方案,中国电信也于近期发布了物联网战略。华为在今年的汉诺威工业展上也展出了车联网解决方案。通过实现对各种移动设备的数据采集,在此基础上实现大数据分析与行业应用,在智能家居、智能交通、智慧医疗和智能服务等领域,物联网将会有非常广阔的应用场景和发展空间。

PTC的物联网应用整体方案

PTC的物联网应用整体方案

   三维可视化技术。西门子、PTC和达索系统三大PLM主流厂商纷纷强调Digital Twin(数字映射)技术,实现实际产品和数字产品模型的虚实融合,实际车间与数字化车间的虚实融合。沈阳机床集团的i5机床实现了加工中心的真实加工过程和数字模拟的加工过程的虚实融合,通过手机扫描二维码,可以在加工中心进行实际产品加工时,在手机上看到对产品三维模型的加工仿真过程。产品的虚实融合技术使企业可以将从实际产品中,通过传感器和物联网采集的数据,对数字产品模型进行仿真分析,从而实现不仅知其然,而且可以知其所以然;车间的虚实融合技术将车间的三维数字模型与MES系统反馈的设备状态等实时信息结合起来,从而可以展示出车间的实时状态,为企业优化生产提供了新的途径。另一方面,达索系统一直将虚拟现实(VR)和增强现实技术(AR)作为重要的发展方向,达索系统在2014年就曾帮助东风汽车利用AR技术发布新车;PTC公司通过并购增强现实技术平台Vuforia,帮助企业快速构建AR应用。轻量化三维模型则可以帮助企业实现生产过程的无纸化。天河软件帮助海尔胶州工厂实现了虚实融合应用,深圳华龙迅达科技公司帮助多家烟草企业实现了车间生产的虚拟仿真,武汉创景可视技术公司则帮助东莞劲胜实现了虚拟智能工厂的应用。

东莞劲胜的虚拟智能工厂

东莞劲胜的虚拟智能工厂(来源:武汉创景视频)

  协作机器人(COBOT)。以往的工业机器人都是与人隔开,孤立地工作。近两年来,ABB推出双臂的14轴协作机器人YUMI,可以帮助电子工业等领域实现小件装配的自动化应用,将人与机器人并肩合作变为现实。博世推出协作机器人APAS,它是协作机器人中首个获得认证的助理系统,可以协助人类工作,且无需任何额外的防护,机器人的保护皮衣是触觉检测装置,当检测到人靠得太近时,其会自动降低运行速度,相当于隐形的防护网,在人离开该区域后,机器人会自动恢复正常速度。优傲发布的最轻便的协作机器人UR3,自重仅为24.3磅,但是有效负载却高达6.6磅,所有腕关节均可360度旋转,而末端关节可作无限旋转。这些独特的功能使得UR3成为现今市场上最灵活轻便、并且可与工人一起肩并肩工作的台式机器人。人机协作,已成为现实。

博世的APAS协作机器人

博世的APAS协作机器人

   材料创新。世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长,化工新材料、微电子、光电子、新能源是研究最活跃、发展最快的新材料领域,复合材料的应用越来越广阔。围绕着材料创新,国内外都在开展产学研的协作。复合材料的制造工艺与传统的金属材料制作工艺和制造装备差别很大。既能够保持材料的强度,又能够减轻重量,是复合材料的一大优势。众所周知,波音787飞机复合材料的使用率已经达到了50%。CIMDATA已经将材料工程作为产品创新平台的核心组成部分。在美国国家制造业创新网络中,已建成的九个研究所,就包括了轻型现代金属制造业创新研究所、复合材料制造创新研究所、革命性纤维和纺织品创新制造研究所等与材料创新直接相关的研究机构,足以说明美国对材料创新的重视。在新能源领域,石墨烯材料的应用也被寄予厚望。

空中客车基于复合材料的概念飞机
空中客车基于复合材料的概念飞机

空中客车基于复合材料的概念飞机

   人工智能技术。IBM Watson的认知计算技术正应用到各个行业。在今年的汉诺威工业展上,IBM展出了认知计算与物联网结合的应用。IBM研究院高级研究员王健博士在e-works承办的首届工业软件与制造业融合发展高峰论坛上演讲时,介绍了一个通过认知计算提高产品质量的案例。首先通过物联网对生产过程设备工况工艺参数等信息进行实时采集,再对产品质量缺陷进行检测和统计;然后,在离线状态下,利用机器学习技术挖掘产品缺陷与物联网历史数据之间的关系,形成控制规则;接下来,在在线状态下,通过增强学习技术和实时反馈,控制生产过程减少产品缺陷;最后集成专家经验,改进学习结果。另外,语音识别技术在制造业也开始得到应用,例如Honeywell推出了语音拣货技术。华中科技大学李德群院士开发的智能注塑机,也采用了人工智能技术来计算最优化的工艺参数,从而大大提高产品的合格率,显著减低能耗。

IBM认知计算技术用于提高产品质量

IBM认知计算技术用于提高产品质量

   其次,制造业新技术之间的协同应用,取得了显著突破。

   例如,增材制造技术与机器人加工、CAE分析、拓扑优化、材料创新,以及传统的切削加工结合起来,提高制造效率、提升制造精度、显著降低零件重量、明显提升零件强度,大幅度降低制造成本。在此次全球产业分析师会议上,西门子也提到了Generative Design(衍生设计)。这是欧特克非常强调的技术,其核心就是将增材制造技术与拓扑优化技术集成应用。西门子也展示了将机器人加工与增材制造集成应用的典型案例。下图是展示的案例和制造的碳纤维材料的实物零件。

西门子展示的机器人加工与增材制造集成应用案例

西门子展示的机器人加工与增材制造集成应用案例

   又如,一家创业公司Yooshu,将三维扫描、逆向工程、机器人加工等技术结合起来,实现了沙滩鞋的个性化定制。

Yooshu的沙滩鞋个性化定制

Yooshu的沙滩鞋个性化定制

   基于增材制造方法,可以对产品可以再设计。意外由于可制造性的限制,需要将多个零件进行装配或者焊接成一个部件,基于增材制造可以简化为一个零件。国外对增材制造技术的研究与应用非常关注应用中的实际问题,例如打印大型构件时,需要分解为多个小构件,制造完成后再进行焊接或铆接。

   以上分析的六项关键技术,每项技术的创新发展都会给制造业带来重大的变革。而在同一时期,这六大技术同时取得跨越式发展,而且都交相辉映,协同应用,因此,我认为制造业已经进入了一个伟大的大变革时代。这个时代对创新者会带来极大的机遇,而保守者可能会加速退出历史舞台。

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