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工业4.0进行时:这三大变化将重塑制造业的未来

供稿:中国工控网 2018/6/20 14:51:16
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资本实验室·今日创新观察

聚焦前沿科技创新与传统产业升级

王进

在过去,传统的产品生产和销售一直遵循这样的流程:发现消费者需求——企业设计图纸——制作原型——设计制造产品所需的工艺装备——进行大规模生产——推向市场。

大规模机械化使得工厂在极短的时间内,即可制造出大量的产品,并改变了数十亿人的工作与生活。

但传统产品生产存在着诸如研发成本高、生产周期长、原材料利用率不足、产品可能会大量积压等一系列问题。

Source: PHD Ventures, Inc.

今天,随着互联网与制造部门、消费者的深度融合,一切都在发生翻天覆地的变化:

一方面,企业获取消费者信息的渠道更加简单快捷,得以更快地了解消费者需求及市场变化。

另一方面,物联网、传感器、3D打印、机器人、人工智能等技术的应用,使工厂的生产、管理与运营更加智能化、自动化。

因此,产品从设计到大规模生产的流程正在因新技术的应用而发生变化,而以下三大变化将为制造业带来根本性的变革:大规模定制、开放式创新与智能化工厂。这些变化也将是工业4.0最直接的体现。

1.大规模定制

因成本问题,个性化和定制化一直是传统制造业难以施展的领域。而3D打印、人工智能、新材料等新技术的融合将使企业可以规模化地生产个性化定制产品。

据预测,人工智能只需将自动化生产转向自定义配置产品,即可满足不同消费者的多样化需求。

3D打印将使得我们直接从设计转到生产,并具有更强的适应性,得以加速数量级生产。

3D打印也将成为大规模定制化生产的最大驱动力,而通过结合大量的消费者数据以及人工智能技术,定制化产品可以快速满足市场需求。

目前,该技术正处于指数级增长阶段。据统计,2015年,增材制造(俗称3D打印)行业市场规模增长至近52亿美元,价格在5000美元以内的3D打印机在全球销量超过25万台。据IDC预测,到2021年,全球3D打印行业的支出将达到近200亿美元。

通过这一技术,并借助新的设计软件,我们可以定制符合解剖学标准的医用支架、个性化牙科产品、改装飞机和汽车零部件,并可以制造诸如传感器、药物输送系统和实验室芯片应用领域的微型产品。

去年,Adidas与3D打印公司Carbon 3D合作推出了3D打印运动鞋,将运动员特定的数据和个人缓冲偏好通过3D打印技术融入到运动鞋中。

通过数字光合成(DLS)3D打印技术,Carbon 3D公司创纪录地从液体材料中打印成品鞋,并很好的控制鞋子的弹性、比强度及其它产品属性。更厉害的是,这一新的工艺能够最大限度地减少设计流程和原型设计时间,从而直接进行生产,将产品生产周期缩短多达9倍。

3D打印的应用,不仅仅局限在小型商品制造上。2018年4月,荷兰3D打印公司MX3D完成了世界首座3D打印钢制桥梁,并即将安装在阿姆斯特丹。

MX3D公司使用的六轴机器人手臂可以在空中从任何方向进行打印。这种多轴打印技术几乎完全消除了传统3D打印所需的某种物体支撑,为未来的新结构打印开辟了新的方向。

然而,3D打印技术并非该40米长的桥梁的唯一新技术。为确保这座桥梁的安全性和优化性能,3D打印钢结构还配备了一系列传感器,可以监控自己的健康状况,记录下走过它的人数和速度,并测量空气中污染物等数据,还能将收集的数据创建成一个数字桥梁模型,为以后的设计提供数据参考。

3D打印的应用还远不止于此。在一个更微型的领域,也就是电子领域,3D打印同样在开启一个定制化和按需电子的新时代。

过去,电子产品生产时,需要手动嵌入电路。然而,通过3D打印技术,我们可以将导电油墨直接在产品中打印成电路,一次就可以完成。

例如,以色列电子3D打印公司Nano Dimension和美国3D打印公司Voxel8等初创公司正在使用导电油墨来打印电路。

通过3D打印技术打印出来的电路热稳定性高,厚度仅有几微米,所以不断发展的导电油墨有可能为硬件生产带来革命性变化。

总之,3D打印抛弃了冗长的设计环节、多阶段原型设计、昂贵的工具和统一化的生产,从而可以大幅度降低生产成本,并将彻底改变传统工业制造的生产流程。

2.开放式创新

传统制造企业一般都远离都市,在设计和研发产品方面费时耗力,且为了安全起见,只能在企业内部自行研发。

而随着创新工厂、孵化器、制造设备实验室的兴起,城市正在成为传统制造业的创新来源。无论是内部研发还是外包,从产品设计到生产技术,任何人都可以介入其中并参与发明。

在过去,我们谈论“开放式创新”已经很多年,不少企业也已经通过这一模式获得了可观的成果。但受制于技术、社区等限制,开放式创新并未在更大范围实现。而现在,真正的“开放式创新”正在到来。

在制造业中,当可访问的用户界面出现时,借助类CAD设计软件和易用的界面,每个人都可以成为发明家和技术创新者。技术开发也将真正呈现出指数级增长,“开放”将成为制造业的关键词。

硬件工作室和企业孵化器的新生态系统正在城市中心兴起。诸如初创企业孵化器Playground Global和开源3D打印公司LulzBot之类的公司正在不断壮大,为自由创业者提供了优越的物理办公空间和制造能力。

2015年,Android之父Andy Rubin联合其他人成立了Playground Global孵化器,为初创企业提供包括业务、办公空间以及机械设计的各种指导,并帮助他们解决材料、工程、制造、供应链管理、分销等问题。

通过提供内部专业技术来交换小型股权,硬件生态系统实验室Flex Lab IX帮助数十家创业公司构建变革性技术,例如无人机系统、超薄电池、智能头带等。

正如美国工业设备制造和工艺设计及测试供应商Bestronics的首席执行官Nat Mani所说:“我们越来越多地寻求与初创企业的合作,将其作为业务发展的一种形式,同时也要保持在新技术领域的领先地位。这些初创公司经常在尝试我们需要知道的新事物。”

美国3D打印解决方案提供商3D Systems和工业级3D打印解决方案供应商Stratasys等行业巨头也正在接受分布式制造这一新模式。

凭借其连续构建3D演示器,Stratasys提供了一个模块化3D打印机墙,所有打印机均通过云端工作并进行集中控制。

风险投资基金Bolt则为那些进入Y Combinator和其他加速器的初创公司提供原型设备实验室,并帮助他们开发产品。Kickstarter等众筹平台也为创业者提供了初始融资服务。

随着分布式制造和自动化制造成本的下降,未来开放式创新设计与研发将出现爆炸式增长,而传统制造商的产品研发模式将受到非常大的挑战。

3.智能化工厂

对于一家成熟的制造企业,工业物联网、人工智能、协作机器人和Li-Fi将是走向未来制造业必须具备的前沿技术。

智能工厂也将成为未来制造业的终极方向。随着新型传感器、机器学习工具和检测无人机等技术的应用,工厂设备不仅能够立即自主纠正错误,生产过程也能实时满足不断变化的需求。

作为工业物联网领域的领先企业,美国公司TE Connectivity设计和制造高度精密的连接器、传感器和电子元件。从医疗行业到家电行业,从航空航天到国防等领域,TE的产品实现了机器间的通信。

而在更偏僻的地区,机器对机器的通信尤为重要,因其可以允许在智能机器人之间分散传输数据。例如,区块链物联网初创公司Filament正在利用低功耗工业传感器和区块链来推动该领域的发展。

物联网通讯初创公司Kepler Communications则利用小型的卫星矩阵取代传统卫星通讯,为偏远地区的工厂实现工业物联网设备之间的通讯。

智能传感器可以转换数据,实现与制造设备间的通信,并在性能或安全受到威胁时关闭设备。工业物联网也使得我们能够分析生产配额,进行预测性维护并远程输入设计。

对于大型制造商而言,产品召回是最昂贵最可怕的灾难,而人工智能的应用,则可以将产品召回的风险降到最低。

硅谷人工智能初创公司Landing.ai开发的用于生产线的机器视觉工具,可以发现人眼无法看到的电路板和产品中的细微缺陷。通过精确的现场质量分析,即时反馈错误,与工业物联网相连的机器可以在发生任何损失之前暂停生产,从而避免进一步的损失。

Instrumental、Maana和Augury等创业公司通过收集和分析由物联网生成的海量数据,使用机器学习技术来检测设备和机器的异常与风险,并提前预警。

美国工业物联网解决方案提供商Augury开发了一套完整的传感器套件,通过工业物联网分析机器的声音变化,以此发现机器的异常情况。

随着云连接、协作机器人能够实现自主管理,未来的工厂将实现全自动化运行。

美国无人值守3D打印工厂Voodoo Manufacturing拥有世界首个功能齐全的、机器人操作的3D打印机群——Project Skywalker。这一系统通过专业软件,将9台3D打印机和一个机械臂组合在一起。

该系统可以自动移除和更换一台3D打印机的构建板,然后继续打印过程。而传统生产中,移除和更换构建板需要占用员工约15%的时间。

这一系统还可以实现24小时自动运行,无需人员监控。而通过大规模部署Skywalker,其位于布鲁克林的工厂产能提高了400%。

这样的技术与模式将彻底打乱传统制造业的生产模式。

3D打印机、协作式3D打印机群、联合机器人、管理3D打印机的机器人、构建机器人的3D打印机,所有的这些只不过是一个开始。

在未来,传统制造的物理限制和空间限制将不再那么重要,设计、生产将更加扁平化、更加开放。在此背景下,制造业巨头和新兴创业公司都将拥有前所未有的发展机遇。(参考信息:awaken)

审核编辑(袁键灏)
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新闻来源: 互联网/ca800

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