增材製造（三維打印）

 

    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（lái）的一項先進製造技術，對促進企業產品創（chuàng）新、縮短新產品開發周期（qī）、提高（gāo）產品競爭力有積極的推動作用，主要包括FDM(熔融層（céng）積成型)、SLA（立體平版印刷）、SLS（選擇性激光燒結（jié））和DLP（數字光處理）等技術。三維（wéi）打印是各種快速成型技術的統稱。快速成型技術的材料主要是非金屬，主要用於研發（fā）階段的驗證。近年來（lái），國內外多家企業和研發機構已實現了（le）金屬材料的快（kuài）速成型，成型的速度、精度不斷提高，材料價格不斷（duàn）下降，可以（yǐ）直接製造單件小批的（de）零（líng）件（jiàn），因此，國際上將該技術領（lǐng）域（yù）稱為增材製（zhì）造(Additive Manufacturing)。

 

    目前，國際主流（liú）的增材製造產品和解決方（fāng）案提供商包括3D systems、Stratasys，以（yǐ）及專注於金屬增材製造的EOS等。最近兩年（nián），主流的IT廠商開始進軍該領域，增材製造領域進入了（le）快速發展階段。例如惠普推出能夠打印真彩色和多種材料的（de）多射流熔融(Multi-Jet Fusion)技術的3D打（dǎ）印機（jī）（型號（hào）分（fèn）別是3200和4200），打（dǎ）印速度比其他三維打印機快十倍。Autodesk公司則推出基於（yú）DLP技術（數字（zì）光處（chù）理，Digital Light Processing）的（de）Ember三維打印機和開放的Spark三維打（dǎ）印平台，並（bìng）與Windows10操作（zuò）係統進行了集成。2016年9月，GE出資6.85億美元收購瑞典著名（míng）工業級3D打印機製造商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（jù）頭通快集（jí）團也推出了金屬材料增（zēng）材製造設備。最近，由華中科技大學張海鷗教授（shòu）主導研（yán）發的“鑄鍛銑一體化（huà）”金屬3D打印技術，成功製造出了世界（jiè）首批3D打印鍛件。運用該技術生產零（líng）件，其精細程度比激光3D打印提高50%。同時，零件的形狀（zhuàng）尺寸和組織性能可（kě）控，大大縮短產（chǎn）品周（zhōu）期。

 

    全球IT巨頭、製造（zào）業巨（jù）頭和學術界的共同關注，市場（chǎng）對個性化定製（zhì）需求的迅速增長，推動了（le）增（zēng）材製造技術的蓬（péng）勃發展和廣（guǎng）泛應用（yòng）。GE在美國匹茲堡設立了增材製造工廠，西（xī）門（mén）子則在瑞典設立了增材製造工廠。

 

    增材（cái）製造（zào）技（jì）術可以（yǐ）與機器人（rén）加工、CAE分析、拓撲優化、材料創新，以及傳統的（de）切削加工結合起來，提高製造效率、提升製造精（jīng）度、顯著降低零件重量、明顯提升（shēng）零件（jiàn）強度（dù），大幅度（dù）降低製造成本。德國機床巨頭DMG MORI已率先推出增材製造和切削加工實現（xiàn）混合製造的加工中心。全球設計軟件領導廠商Autodesk公司推出衍（yǎn）生設計技術，實現了增材（cái）製造技術與拓撲優化技術的集成應用。美國的高（gāo）端運動品牌Under Armour已經使用了Autodesk衍生（shēng）設計和增材製造技術來製造（zào）運動鞋。

 

 

DMG MORI（德瑪吉森精機）推出的全球首台混合製造加工中心

 

高端運動鞋品牌Under Armour使用（yòng）衍生設（shè）計和增材製造（zào）技術製造的運動鞋

 

2

物聯網

 

    物聯網技術( Internet of Things)是目前（qián）全球最熱門的技術領域之（zhī）一。未來傳感器的數量將遠遠超過人類（lèi）的數（shù）量，物聯網經濟的（de）規模將遠大於互聯網經濟。製造業是物（wù）聯（lián）網技術應用最重要的領域（yù）。思科公司的研究報告認為，製造業將占整個（gè）物聯網市場的27%。

 

    GE公司推出的（de）麵向（xiàng）製造業的工業互聯網平台Predix受到業界高（gāo）度關注，該平台可以有效支撐（chēng）物聯網的工（gōng）業應用。GE組建了GE數據集團，力圖將Predix發展成（chéng）為製造業物聯網應用的（de）開放雲平台，最近，GE宣布將Predix平（píng）台全麵開放。西門子發布了（le）開放的工業雲平台Mindsphere，可以接入各種（zhǒng）傳感器的信息，製造企業可將其作為數字化服務，例如預（yù）測（cè）性維護、能源數據（jù）管理以及（jí）工廠資源優化的基（jī）礎。美國PTC公司（sī）則形成了以物聯網開發平台ThingWorx為基礎的整體解決方案。三一重工則結合（hé）自身（shēn）在物聯網應用方麵的長期實踐經驗，推出了“樹根互聯（lián）平（píng）台”，打造本（běn）土的工（gōng）業物（wù）聯網平台。通過物聯網實現對已交付給（gěi）客戶的產品傳感器參數的采集，在此基礎上實（shí）現預測性維護和智能服務，可（kě）以促（cù）進產（chǎn）品的備品備件銷售，避免產（chǎn）品運行時出現異常停機，具有廣（guǎng）闊的發展空（kōng）間。下圖是（shì）一個基於物（wù）聯網（wǎng）的預測性維（wéi）護服（fú）務的典型（xíng）案例。

 

 

基（jī）於物聯（lián）網的預測（cè）性服務案（àn）例

 

3

虛實融合技術（shù）

 

    西門子、PTC和達索（suǒ）係統三大PLM(產（chǎn）品全生命周期管理)技術主流廠商紛紛強調（diào）Digital Twin（虛實融合）技（jì）術，實現實際產品和數（shù）字（zì）產品模型（xíng）的虛實（shí）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（yǔ）數字化車間的虛實融合。

 

    沈陽機床（chuáng）集團（tuán）的i5機床（chuáng）實（shí）現了加工中心的（de）真實加（jiā）工過程和數字模擬（nǐ）的加工過程的虛實融合，通過手機掃描二維碼，可（kě）以在加工中（zhōng）心（xīn）進行（háng）實際產品加工時，在手機（jī）上（shàng）看到對產品的三維模型進行的加工（gōng）仿真。產品（pǐn）的虛實融合技（jì）術使企業可以從實際產品中，通過傳感器和物聯網采集數據，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（qí）所以然，幫（bāng）助企業改進（jìn）產品。海爾膠州工廠應用了車（chē）間的虛實融合技術，可（kě）以將車間的三維數字模型與MES係統反饋的設備狀態等實時信息結合起來，展示出車間的（de）實時狀態，為企業優化生產提供了新（xīn）的途徑。

 

 

Digital twin技術（shù）可以（yǐ）幫助企業改進產品性能

 

4

協作機器（qì）人（COBOT）

 

    以往（wǎng），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（qì）人YUMI，可以（yǐ）幫助電子工業等領域（yù）實現（xiàn）小件裝（zhuāng）配的自動化應用，將人與機器人並肩（jiān）合作變為現實。博（bó）世也推出協作機器人APAS，它是協作機器人中（zhōng）首個獲得認（rèn）證的助理（lǐ）係統，可以協（xié）助（zhù）人類工作，且無（wú）需任何額外的（de）防護。機器人的保護皮衣（yī）是觸覺（jiào）檢測裝置，當檢測到人靠近時，其會自動降低（dī）運行（háng）速度；在人離開該區（qū）域後，機器人會（huì）白動恢複正（zhèng）常速度。未來（lái）的製（zhì）造（zào）模式並不（bú）是機器換人，而是人機協作。協作機器人的應用將徹底（dǐ）改變未來工廠（chǎng）的生產（chǎn）組織和工（gōng）人的工作方式。

 

 

博世的APAS協作機（jī）器人

 

5

材料工程

 

    世（shì）界（jiè）材料產業的產值以每年約（yuē）30%的速度增長，化工新材料、微電子、光電子、新能（néng）源是（shì）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（chuàng）新，國內外（wài）都在開展產學研的協作。複（fù）合（hé）材料的製造工（gōng）藝與傳統的金屬材料製（zhì）作（zuò）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（jiǎn）輕重量，是複合材料的一大優勢。眾所（suǒ）周知，波音787飛機複合材（cái）料的使用率（lǜ）已經達到了50%。

 

 

波音787複合（hé）材料機頭的製造

 

    國際著名PLM研究機構CIMDATA已經將材料工程（chéng）作為產品創新（xīn）平台的核心組成部分。在美（měi）國國家製造業創新網（wǎng）絡中，已建成的（de）九個研究（jiū）所中，就（jiù）包（bāo）括了輕型現代金屬（shǔ）製造業（yè）創（chuàng）新研究所、複合材料製造（zào）創新研究所、革命性纖（xiān）維和紡織品創新製造研究所等與（yǔ）材料創新直接相關的研究機構，足以說明美國對材（cái）料創新的重視。在新能源領域，石墨烯材料的應用也被寄（jì）予厚望。

 

6

人工智（zhì）能技術

 

    IBM非常重視人（rén）工智能技術的研究（jiū），提出了認知計（jì）算( Cognitive Computing)理念，應用到各個行業。在2016年漢諾威工業展（zhǎn）上，IBM展出（chū）了認知計算與物聯網結（jié）合的應（yīng）用。首先通（tōng）過物聯網對生產過（guò）程設備工況工（gōng）藝參數等信息（xī）進行實時采集，再對產（chǎn）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（wā）掘產品缺陷與物聯網（wǎng）曆史數（shù）據之間（jiān）的關係，形成控製規則；接下來在在線狀態下，通過增強學習技術和實時反饋，控製生產過程減少（shǎo）產品缺陷；最後集成專家經驗，改進學（xué）習結（jié）果（guǒ）。另外，語（yǔ）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（jiǎn）貨（huò）技術（shù）。華中科技大學李德群院士開發的智能注塑機，也采（cǎi）用了人工智能技術（shù）來計算最優（yōu）化的工藝參數，從而大大提高產品的合格率，顯著降低能耗。

 

    以上分析的（de）六項新興技術，每項（xiàng）技術的創新（xīn）發展都給製造業帶（dài）來重大變革。在同一時期，這六大新興技術都取得了跨越式發展，而且是交相輝映，實現了協同應（yīng）用，因此能夠（gòu）幫（bāng）助應用這些關鍵技術的企業實現商業模式、研發與製造模式、企業運營模式的突破性創新（xīn）。這昭示著，製造業（yè）已經進入了（le）技術大變革（gé）時代。這（zhè）個時代對（duì）創（chuàng）新者會帶來極大的機遇（yù），而保守者則（zé）會加（jiā）速退出曆史舞台。