制造业迎来技术大变革时代
本文标签: 智能制造 人工智能 物联网 三维打印 增材制造 工业机器人 

     今年以来,通过参加了一系列国际会议和德国、美国考察,我深深感到,由于一系列关键技术的发展与融合应用,全球制造业正在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。
   
    1. 增材制造(三维打印)。
   
      增材制造技术早期叫做快速成型(Rapid Prototyping),是二十世纪九十年代发展起来的一项先进制造技术,是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用,主要包括FDM(熔融层积成型)、SLA(立体平版印刷)、SLS(选择性激光烧结)和DLP(数字光处理)等技术。三维打印是各种快速成型技术的统称。快速成型技术的材料主要是非金属,主要用于研发阶段的验证。近年来,国内外多家企业和研发机构已实现了金属材料的快速成型,成型的速度、精度不断提高,材料价格不断下降,从而可以制造单件小批的零件。国际上逐渐将该技术领域成为增材制造(Additive Manufacturing)。目前,国际主流的增材制造产品和解决方案提供商包括3DSYSTEM、Stratesys,以及专注于金属增材制造的EOS等。

     最近两年,主流的IT厂商开始进军该领域,增材制造领域进入了快速发展阶段。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。我认为打印机巨头惠普公司早就应该进军三维打印领域,如今惠普终于发力。实际上,3DSYSTEM并购的Z-CORP公司一直使用惠普的喷墨技术。欧特克公司则推出基于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。今年4月我们考察全球激光加工巨头通快集团时,也观摩了该公司开发的金属材料增材制造设备。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。全球IT巨头、制造业巨头和学术界的共同关注,市场对个性化定制需求的迅速增长,推动了增材制造技术的蓬勃发展和广泛应用。


Autodesk推出的三维打印机Ember


通快集团发布的增材制造设备

    2. 物联网应用。

      物联网技术(Internet of Things)是目前全球最热门的技术领域之一。未来传感器的数量将远远超过人类的数量,物联网经济的规模将远大于互联网经济。物联网技术应用广泛,但制造业是物联网技术应用最重要的领域。思科的研究报告认为,制造业将占整个物联网市场的27%。

      GE公司推出的面向制造业的物联网平台Predix受到业界高度关注。GE组建了GE Digital集团,力图将Predix发展成为制造业物联网应用的开放云平台,最近,GE宣布将Predix平台全面开放。在今年9月举行的西门子PLM产业分析师大会上,西门子重点强调了Mindsphere,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。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展出了车联网解决方案。PTC则形成了以ThingWorx为基础的整体解决方案,可以用于开发各种物联网应用。三一重工则提出,“制造即服务、数据即价值。在未来制造业就是服务业,主要是为客户带来直接的价值,价值的体现核心是数据驱动。三一重工结合自己在物联网应用方面的长期实践,推出了树根互联平台,打造本土的工业物联网平台。

      通过实现对各种物体,尤其是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

    3.三维可视化技术。

      近年来,三维CAD技术发展迅速,在制造业已经全面普及。企业不光可以基于三维CAD软件进行产品设计,基于三维模型进行工艺设计,还可以基于轻量化三维模型撰写多媒体的产品用户手册,并实现无纸化下车间。西门子、PTC和达索系统三大PLM(产品全生命周期管理)技术主流厂商纷纷强调Digital Twin(数字化镜像)技术,实现实际产品和数字产品模型的虚实融合,实际装备和装备的数字化模型的虚实融合,以及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的三维模型进行的加工仿真。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,帮助企业改进产品。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。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。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。


沈阳i5机床实现了加工过程的虚实融合等优秀功能


东莞劲胜的虚拟智能工厂(来源:武汉创景视频)

    4. 协作机器人(COBOT)。

     以往,工业机器人都是与人隔开,孤立地工作。2015年,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。博世也推出协作机器人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(Universal Robot)发布了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。

      未来的制造模式并不是机器换人,而是人机协作。协作机器人的应用将彻底改变未来工厂的生产组织和工人的工作方式。


博世的APAS协作机器人

    5. 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%。

      国际著名PLM研究机构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

     6. 人工智能技术。

     
目前,智能制造领域的“智能”还处于Smart的层次,智能制造系统具有数据采集、数据处理、数据分析的能力,能够准确执行指令,能够实现闭环反馈。智能制造的趋势是实现“Intelligent”,真正应用人工智能技术,使智能制造系统能够实现自主学习、自主决策、优化提升。

     
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

      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。德国机床巨头DMG MORI已率先推出增材制造和切削加工(减材制造)实现混合制造的加工中心。欧特克非常重视衍生设计技术,其核心是增材制造技术与拓扑优化技术的集成应用。美国的高端运动品牌Under Armour已经使用了Autodesk衍生设计技术和三维打印技术来制造运动鞋。


美国高端运动鞋品牌Under Armour使用Autodesk衍生设计技术和三维打印技术制作的运动鞋

      西门子PLM在2016年的全球产业分析师会议上展示了将机器人加工与增材制造集成应用的典型案例。下图展示的是加工仿真的过程和增材制造的碳纤维材料实物零件。


西门子展示的机器人加工与增材制造集成应用案例

      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

      以往,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,而工业再设计技术提供了新的选择。通过对该部件进行结构仿真与优化,再通过增材制造或精密铸造,可以将部件简化为一个零件进行制造。同时,还可以选择新型材料,优化产品结构,进行轻量化设计。这方面,安世亚太已与苏氏精密联合开展了卓有成效的实践。下图中的SUV驱动前桥部件原来有78个零件,通过工业再设计,整合为一个零件。工业再设计技术帮助企业显著降低成本,提升产品质量和精度。


SUV驱动前桥原始的设计方案需要将78个零件进行焊接


进行结构仿真与优化,再通过精密铸造整合为一个零件

      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。Autodesk公司完成的空客支撑件增材制造,就使用了相关技术。


欧特克公司与空客集团进行的增材制造合作实践

      IBM提出了认知物联网技术。其中一个典型案例是通过对物联网采集的数据进行深度学习和认知计算,实现对设备的预测性维护,大大减少设备的故障停机时间。

      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,而且是交相辉映,实现了协同应用,则会帮助应用这些关键技术的企业实现商业模式、研发与制造模式、企业运营模式的突破性创新。因此,我认为制造业已经进入了一个伟大的技术大变革时代。这个时代对创新者会带来极大的机遇,而保守者则会加速退出历史舞台。


发表于: 2016-09-17 08:23 阅读(9347) 评论(2) 收藏 好文推荐
# re: 制造业迎来技术大变革时代
2016-09-20 14:29 | kangta868 | 1楼
对制造业而言都是颠覆性的变革,无论是从产品还是到服务。
# re: 制造业迎来技术大变革时代
2016-09-26 12:00 | Ewk_zd | 2楼
感谢黄总详细的分析与总结,让我们能全面了解制造领域的最新技术。对于企业来说,如何将这些技术为我所用,结合产品和业务特点梳理出清晰的应用场景,非常关键。

发表评论(网友发言只代表个人观点,不代表本网站观点或立场。)

您尚未登录,请先【登录或注册