制造业已进入技术大变革时代。借助关键新兴技术，企业可实现商业模式、研发与制造模式、企业运营模式的突破性创新。
文/黄培
关键词：增材制造 3D打印 物联网 虚实融合 材料工程 协作机器人 人工智能 制造业变革
增材制造、物联网、虚实融合、材料工程、协作机器人、人工智能等新兴技术，将对制造业的发展带来颠覆性的变革。本文着重介绍这些新兴技术的最新发展和应用趋势。
一、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20世纪90年代发展起来的一项先进制造技术，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，可以直接制造单件小批的零件，因此，国际上将该技术领域称为增材制造（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3Dsystems、Stratasys，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），打印速度比其他三维打印机快十倍。Autodesk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，并与Windows10操作系统进行了集成。2016年9月，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，该公司拥有电子束熔融（EBM）金属3D打印技术。全球激光加工巨头通快集团也推出了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，大大缩短产品周期。
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。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。
增材制造技术可以与机器人加工、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实现混合制造的加工中心。全球设计软件领导厂商Autodesk公司推出衍生设计技术，实现了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衍生设计和增材制造技术来制造运动鞋。
二、物联网
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。制造业是物联网技术应用最重要的领域。思科公司的研究报告认为，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工业互联网平台Predix受到业界高度关注，该平台可以有效支撑物联网的工业应用。GE组建了GE 数据集团，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。西门子发布了开放的工业云平台Mindsphere，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。美国PTC公司则形成了以物联网开发平台ThingWorx为基础的整体解决方案。三一重工则结合自身在物联网应用方面的长期实践经验，推出了“树根互联平台”，打造本土的工业物联网平台。通过物联网实现对已交付给客户的产品传感器参数的采集，在此基础上实现预测性维护和智能服务，可以促进产品的备品备件销售，避免产品运行时出现异常停机，具有广阔的发展空间。下图是一个基于物联网的预测性维护服务的典型案例。
三、虚实融合技术
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（虚实融合）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从实际产品中，通过传感器和物联网采集数据，对数字产品模型进行仿真分析，从而实现不仅知其然，而且知其所以然，帮助企业改进产品。海尔胶州工厂应用了车间的虚实融合技术，可以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，展示出车间的实时状态，为企业优化生产提供了新的途径。
四、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，当检测到人靠近时，其会自动降低运行速度；在人离开该区域后，机器人会自动恢复正常速度。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。
五、材料工程
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中，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。
六、人工智能技术
IBM非常重视人工智能技术的研究，提出了认知计算（Cognitive Computing）理念，应用到各个行业。在2016年汉诺威工业展上，IBM展出了认知计算与物联网结合的应用。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，显著降低能耗。
以上分析的六项新兴技术，每项技术的创新发展都给制造业带来重大变革。在同一时期，这六大新兴技术都取得了跨越式发展，而且是交相辉映，实现了协同应用，因此能够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。这昭示着，制造业已经进入了技术大变革时代。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。■
作者系e-works数字企业网CEO
编辑 王仕斌
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