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六大新興技術,給製造業帶來顛覆性變革!

增材製造、物聯網、虛實融合、材料工程、協作機器人、人工智慧等新興技術,將給製造業的發展帶來顛覆性的變革。

這些新興技術,取得了哪些最新發展?未來的應用趨勢如何?

增材製造(三維打印)

新興技術(一)

增材製造技術早期叫做快速成型(Rapid Prototyping),是20世紀90年代發展起來的一項先進製造技術,對促進企業產品創新、縮短新產品開發周期、提高產品競爭力有積極的推動作用,主要包括FDM(熔融層積成型)、SLA(立體平版印刷)、SLS(選擇性激光燒結)和DLP(數字光處理)等技術。

目前,國際主流的增材製造產品和解決方案提供商包括3D systems、Stratasys,以及專註於金屬增材製造的EOS等。最近兩年,主流的IT廠商開始進軍該領域,增材製造領域進入了快速發展階段。

2016年9月,GE出資6.85億美元收購瑞典著名工業級3D印表機製造商Arcam公司,該公司擁有電子束熔融( EBM)金屬3D打印技術。全球激光加工巨頭通快集團也推出了金屬材料增材製造設備。

最近,由華中科技大學張海鷗教授主導研發的“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術,成功製造出了世界首批3D打印鍛件。運用該技術生產零件,其精細程度比激光3D打印提高50%。同時,零件的形狀尺寸和組織性能可控,大大縮短產品周期。

全球IT巨頭、製造業巨頭和學術界的共同關註,市場對個性化定製需求的迅速增長,推動了增材製造技術的蓬勃發展和廣泛應用。GE在美國匹茲堡設立了增材製造工廠,西門子則在瑞典設立了增材製造工廠。

增材製造技術可以與機器人加工、CAE分析、拓撲優化、材料創新,以及傳統的切削加工結合起來,提高製造效率、提升製造精度、顯著降低零件重量、明顯提升零件強度,大幅度降低製造成本。

DMG MORI 四條增材、減材整合製造工藝鏈

德國機床巨頭DMG MORI已率先推出增材製造和切削加工實現混合製造的加工中心。全球設計軟體領導廠商Autodesk公司推出衍生設計技術,實現了增材製造技術與拓撲優化技術的集成應用。美國的高端運動品牌Under Armour已經使用了Autodesk衍生設計和增材製造技術來製造運動鞋。

物聯網

新興技術(二)

物聯網技術( Internet of Things)是目前全球最熱門的技術領域之一。未來傳感器的數量將遠遠超過人類的數量,物聯網經濟的規模將遠大於互聯網經濟。製造業是物聯網技術應用最重要的領域。思科公司的研究報告認為,製造業將占整個物聯網市場的27%。

GE公司推出的面向製造業的工業互聯網平臺Predix受到業界高度關註,該平臺可以有效支撐物聯網的工業應用。GE組建了GE資料集團,力圖將Predix發展成為製造業物聯網應用的開放雲平臺,最近,GE宣佈將Predix平臺全面開放。

西門子發佈了開放的工業雲平臺Mindsphere,可以接入各種傳感器的信息,製造企業可將其作為數字化服務,例如預測性維護、能源資料管理以及工廠資源優化的基礎。

美國PTC公司則形成了以物聯網開發平臺ThingWorx為基礎的整體解決方案。

三一重工則結合自身在物聯網應用方面的長期實踐經驗,推出了“樹根互聯平臺”,打造本土的工業物聯網平臺。通過物聯網實現對已交付給客戶的產品傳感器引數的採集,在此基礎上實現預測性維護和智慧服務,可以促進產品的備品備件銷售,避免產品運行時出現異常停機,具有廣闊的發展空間。

下圖是一個基於物聯網的預測性維護服務的典型案例。

虛實融合技術

新興技術(三)

西門子、PTC和達索系統三大PLM(產品全生命周期管理)技術主流廠商紛紛強調Digital Twin(虛實融合)技術,實現實際產品和數字產品模型的虛實融合,實際裝備和裝備的數字化模型的虛實融合,以及實際車間與數字化車間的虛實融合。

沈陽機床集團的i5機床實現了加工中心的真實加工過程和數字模擬的加工過程的虛實融合,通過手機掃描二維碼,可以在加工中心進行實際產品加工時,在手機上看到對產品的三維模型進行的加工仿真。

產品的虛實融合技術使企業可以從實際產品中,通過傳感器和物聯網採集資料,對數字產品模型進行仿真分析,從而實現不僅知其然,而且知其所以然,幫助企業改進產品。

海爾膠州工廠應用了車間的虛實融合技術,可以將車間的三維數字模型與MES系統反饋的設備狀態等實時信息結合起來,展示出車間的實時狀態,為企業優化生產提供了新的途徑。

協作機器人(COBOT)

新興技術(四)

以往,工業機器人都是與人隔開,孤立地工作。2015年,ABB推出雙臂的14軸協作機器人YUMI,可以幫助電子工業等領域實現小件裝配的自動化應用,將人與機器人並肩合作變為現實。

博世也推出協作機器人APAS,它是協作機器人中首個獲得認證的助理系統,可以協助人類工作,且無需任何額外的防護。機器人的保護皮衣是觸覺檢測裝置,當檢測到人靠近時,其會自動降低運行速度;在人離開該區域後,機器人會白動恢復正常速度。未來的製造樣式並不是機器換人,而是人機協作。協作機器人的應用將徹底改變未來工廠的生產組織和工人的工作方式。

材料工程

新興技術(五)

世界材料產業的產值以每年約30%的速度增長,化工新材料、微電子、光電子、新能源是研究最活躍、發展最快的新材料領域,複合材料的應用越來越廣闊。圍繞著材料創新,國內外都在開展產學研的協作。

複合材料的製造工藝與傳統的金屬材料製作工藝和製造裝備差別很大。既能夠保持材料的強度,又能夠減輕重量,是複合材料的一大優勢。眾所周知,波音787飛機複合材料的使用率已經達到了50%。

國際著名PLM研究機構CIMDATA已經將材料工程作為產品創新平臺的核心組成部分。

在美國國家製造業創新網絡中,已建成的九個研究所中,就包括了輕型現代金屬製造業創新研究所、複合材料製造創新研究所、革命性纖維和紡織品創新製造研究所等與材料創新直接相關的研究機構,足以說明美國對材料創新的重視。

人工智慧技術

新興技術(六)

IBM非常重視人工智慧技術的研究,提出了認知計算( Cognitive Computing)理念,應用到各個行業。

在2016年漢諾威工業展上,IBM展出了認知計算與物聯網結合的應用。首先通過物聯網對生產過程設備工況工藝引數等信息進行實時採集,再對產品質量缺陷進行檢測和統計;然後在離線狀態下,利用機器學習技術挖掘產品缺陷與物聯網歷史資料之間的關係,形成控制規則;接下來在在線狀態下,通過增強學習技術和實時反饋,控制生產過程減少產品缺陷;最後集成專家經驗,改進學習結果。

另外,語音識別技術在製造業也開始得到應用,例如Honeywell推出了語音揀貨技術。華中科技大學李德群院士開發的智慧註塑機,也採用了人工智慧技術來計算最優化的工藝引數,從而大大提高產品的合格率,顯著降低能耗。

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