增材（cái）製造（三（sān）維打印）

 

    增材製造技術（shù）早期叫做快速成型(Rapid Prototyping)，  是（shì）20世紀90年代發展起來的一項先進製（zhì）造技術，對促（cù）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（jī）成型)、SLA（立體平版印刷）、SLS（選擇性激光（guāng）燒結）和（hé）DLP（數（shù）字光處理）等技術。三維打印是各種快速成型技術的統稱。快（kuài）速成（chéng）型技術的材料主要（yào）是非金屬，主要用於研發階段（duàn）的驗證（zhèng）。近年來，國內外多家企業和研發機構（gòu）已（yǐ）實現了金屬材料的快速（sù）成型，成型的（de）速度、精度不斷提高，材料（liào）價格不斷下降，可以直接（jiē）製造單件小批的零件，因此（cǐ），國際上將該技術領域稱為增材製造(Additive Manufacturing)。

 

    目前，國際主流的（de）增材製造產品和解決方案提（tí）供商（shāng）包括3D systems、Stratasys，以及專注於金屬增材製（zhì）造的EOS等。最近兩年，主流的IT廠商開始進軍該領（lǐng）域（yù），增材製造領域進入了快速發展階段。例如惠普（pǔ）推出能夠打印（yìn）真（zhēn）彩色和多（duō）種材料的多射流（liú）熔融(Multi-Jet Fusion)技術的3D打印機（型號分別是3200和4200），打印速度比其他三維打印機（jī）快十倍（bèi）。Autodesk公司則推（tuī）出基於DLP技術（數字光處理，Digital Light Processing）的Ember三維打（dǎ）印機（jī）和開放的Spark三（sān）維打印平台（tái），並與Windows10操作係統進行了集（jí）成。2016年9月，GE出資6.85億美元收購瑞典著名工業級3D打印機製造商Arcam公司，該公司擁有電子束（shù）熔融( EBM)金屬3D打印技術。全球激光加工巨頭通（tōng）快集團（tuán）也推出了金屬材料增材製造設備。最（zuì）近（jìn），由華中科技大學張海鷗教授主導研發的“鑄鍛銑一（yī）體化”金屬3D打印技術，成功（gōng）製造出了（le）世界首批（pī）3D打印（yìn）鍛（duàn）件。運用該（gāi）技術（shù）生產零件，其精細程度比激（jī）光3D打印提（tí）高50%。同時，零件的形狀尺寸（cùn）和組織性能可控，大大縮短產品周期。

 

    全球IT巨頭、製造（zào）業巨頭和學術界的共同關（guān）注（zhù），市場對個性（xìng）化定製需求的迅速增長，推（tuī）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（xuē）加工結合起來，提（tí）高製（zhì）造效率（lǜ）、提升製造精度、顯著降（jiàng）低零件重量、明顯提升零（líng）件強度，大幅（fú）度降低製造成本。德國機床巨頭DMG MORI已率先推出增材製造和切削加工實現混合製造的加工中心。全球設計軟件領導廠商Autodesk公司推（tuī）出衍生設計技術，實現了增材製造技術與（yǔ）拓撲優化技術的集成應用。美國的高端運動品牌Under Armour已（yǐ）經使用了Autodesk衍（yǎn）生設計和增材製造技術來製造運動鞋。

 

 

DMG MORI（德瑪吉森精機）推出（chū）的全球首台混合製（zhì）造加工中心

 

高端運動鞋品牌Under Armour使用衍生設計和增材製（zhì）造技術製造的運動鞋

 

2

物聯網

 

    物聯網技術( Internet of Things)是（shì）目前全球最（zuì）熱門的技術領域之一。未來傳感器（qì）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（lián）網經濟。製造業是（shì）物聯網技術應用最重要的領（lǐng）域。思科公司的研究報告認為，製造（zào）業將占整個物（wù）聯網市場的27%。

 

    GE公司推（tuī）出的麵向製造業的工業互（hù）聯網平台Predix受到業界高（gāo）度關注，該平台可以有效支撐物聯網的工業應用。GE組建了GE數據集（jí）團，力圖將Predix發展成為製造業物聯（lián）網應用的開放雲平台，最近（jìn），GE宣（xuān）布將Predix平台全麵開放（fàng）。西門子發（fā）布了開放的工業雲平台Mindsphere，可以接入各種傳感（gǎn）器的信息，製造企業可將其（qí）作為數字化（huà）服務，例如預（yù）測性維護、能源數據管理（lǐ）以及工廠資源優化的基礎。美國PTC公司則形成了以物聯網（wǎng）開發平台ThingWorx為基（jī）礎的整體解決方案。三（sān）一重工則結合自身（shēn）在物聯網應用方麵的長期實踐經驗，推出了“樹根互聯平台”，打造本（běn）土的工業物聯網平台。通過物聯網實現對已交付給客戶的產（chǎn）品傳感器（qì）參（cān）數的采集，在此基礎上實現預測性維護和智（zhì）能服務，可以促（cù）進產品的備品備件銷售，避免產品運行時出現異常停機，具（jù）有廣闊（kuò）的發（fā）展空間。下圖是一個基（jī）於物聯網的預測性維護服務（wù）的典（diǎn）型案例。

 

 

基於物聯網的預（yù）測性服（fú）務案例

 

3

虛實融（róng）合技術（shù）

 

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

 

    沈陽機（jī）床集團的i5機床實現了加工（gōng）中心的真實加（jiā）工過程和數字模擬的加（jiā）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（shí）際產品加工時，在手機（jī）上看到對產（chǎn）品的三維模型進（jìn）行（háng）的加工仿真。產品的虛實融合技術（shù）使企業可以從實際產品（pǐn）中，通過傳感器和物聯網采集數據（jù），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（qǐ）業改進產品（pǐn）。海爾膠州工廠應用了車間的虛實（shí）融合技術，可以將車間（jiān）的三維數字模型與MES係統反饋的（de）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（yōu）化生產提供了新的途徑。

 

 

Digital twin技術可（kě）以幫助企業改進產品（pǐn）性能

 

4

協作機器人（COBOT）

 

    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（děng）領域實現小件裝配（pèi）的（de）自（zì）動化應用，將人（rén）與機器人並肩合作變為現實。博世也推出協（xié）作機器人APAS，它是協作機器人中首個（gè）獲得認證的助理（lǐ）係統，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（shì）觸覺檢測裝置，當（dāng）檢測到（dào）人靠近時，其會自動降（jiàng）低運行速度；在人離開該區域後（hòu），機（jī）器人會白動恢（huī）複正（zhèng）常速度。未來的製造模式並（bìng）不是機器換人，而是人機協作。協作機器人的應（yīng）用將徹底改變未來工廠的生產組織和工人的（de）工作方式。

 

 

博世的APAS協作機器人（rén）

 

5

材料工程

 

    世界材料產業的產值以每年約30%的速度（dù）增長，化工（gōng）新材料、微電子、光電子（zǐ）、新能源是研究最活躍、發展最快的新材料領域，複合材（cái）料的應（yīng）用越（yuè）來越廣闊。圍繞著材（cái）料創新，國內外都在開展產學研的協作。複合材料的製造工（gōng）藝（yì）與傳統的金屬材料製（zhì）作工藝（yì）和製造裝備差別很大。既能夠保持材（cái）料的強度，又能夠減輕重（chóng）量，是複合材料的一大優（yōu）勢。眾所周知，波音787飛機複合材料的使用率已經達到了50%。

 

 

波音787複合材料機頭的製造

 

    國際著名PLM研究機構CIMDATA已經將材料工程作為產品創新平台的核心組成部分。在美國國家製造業創（chuàng）新網絡中，已建成的（de）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（suǒ）、革命（mìng）性纖維和紡織品創新製造研究所等與材料創新（xīn）直接相關的研（yán）究（jiū）機構，足以說明美國對材料創新的重視（shì）。在新能源領域，石墨烯材料的（de）應用也被（bèi）寄予厚（hòu）望。

 

6

人工智能技術（shù）

 

    IBM非常重視人工智（zhì）能技術的研究，提出了認知計（jì）算( Cognitive Computing)理（lǐ）念（niàn），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（lián）網結合的應用。首先通過物聯網對生產（chǎn）過程設備工況工藝參數等信息進行實時采（cǎi）集，再對產品質量缺陷進（jìn）行檢（jiǎn）測和統（tǒng）計；然後在離線狀態下，利用機器學習技（jì）術挖掘產（chǎn）品缺（quē）陷與物聯網曆史數據之間的關係，形成控製規則；接下來在在線（xiàn）狀態下，通過增強學習技術（shù）和實時反饋，控製生產過程減少產品（pǐn）缺陷；最後集成專家經驗，改進學習結果（guǒ）。另外，語（yǔ）音識別技術在製造業也開始（shǐ）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（fā）的智能注塑機（jī），也采用了人工智能技術來計算最優化的工藝參數，從而大大提（tí）高（gāo）產品的合格率，顯著降低能耗。

 

    以上分析的六項新興技術（shù），每項技術的創新發展都給（gěi）製造業帶來重大變革。在同一時期，這六大新興技術都取得了跨越式發展，而（ér）且（qiě）是交相輝映，實現了協同應用，因此能夠幫助應用這些關（guān）鍵技術的企業實現（xiàn）商業模式、研發與製造模式、企（qǐ）業運營模式的突破性創新。這昭示著（zhe），製造業已經（jīng）進入了技術大變革（gé）時代。這個（gè）時代對創新者會帶來極大的機遇，而保（bǎo）守（shǒu）者則會加速退出（chū）曆史舞台。