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前沿技术 | 六大新兴技术,将对制造业的发展带来颠覆性的变革

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来源:工业智能化(ID:robotinfo)

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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。

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。


1.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3D systems、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。

DMG MORI(德玛吉森精机)推出的全球首台混合制造加工中心

高端运动鞋品牌Under Armour使用衍生设计和增材制造技术制造的运动鞋


2.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。

基于物联网的预测性服务案例


3.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。

Digital twin技术可以帮助企业改进产品性能



4.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,机器人会白动恢复正常速度。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。

博世的APAS协作机器人


5.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%。

波音787复合材料机头的制造

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。


6.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。




延伸阅读:

制造业与十大新兴技术的关系

人类经历了青铜器时代、工业时代、计算机时代,每一次时代的更替,每一项新技术的兴起,都促使生产力水平的提升与制造效率的变革。未来,那些改变我们生产方式和人类发展进程的新兴技术,将继续和更加令人振奋。

1.燃料电池汽车 

燃料电池汽车算是电动汽车的一种,但本质上的区别却很大。

好比现在被广泛运用到手机领域的快速充电体验一样,燃料电池的优点是可以在几分钟的极短时间内给电池灌满燃料,从而省去了长时间充电的麻烦。其原理在于使用氢氧混合燃料代替一般的化学电池,通常使用补充氢气的方式来进行充电,也有一些电厂和叉车等领域使用甲烷和汽油作为电池燃料。

燃料电池汽车的出现,不仅使电动汽车的使用变得更加环保,还大大增强了其使用效率。

2.下一代机器人

机器人已跳出荧屏,负担起人们的部分生产生活。

下一代机器人将更着重于人性化方面。其具体表现在体积更小,不会占用太大的空间,且更加灵活,工作起来更为精细、灵活、智能。真正起到了可以在工作环境中人类助手的作用。例如电子科技领域,智能手机和电子产品零部件的组装等需要细致应对的流水线,也可以轻松完成。

下一代机器人的出现,在提高产品制造效率的基础上,更深远的意义在于解放了更多的劳动力思维。

3.可循环利用的热固性塑料

在不可再生资源逐年锐减的今天,如何发展可持续循环经济变成了全世界各行业都密切关注的焦点。

而做为现代制造业中不可或缺的材料,热固性塑料以其高轻度,耐高温等特点受到人们青睐,但其无法循环利用的难题也成为诟病,大部分热固性聚合物只能变为垃圾进行填埋。而随着科技的不断发展,热固性塑料的循环利用难题也即将得到解决。有研究表明一种名为“聚六氢三嗪”(简称PHT)的可循环利用的新型热固性聚合物可放入强酸中溶解,从而打破聚合物关联,分离出单体部分,然后重新组合为新产品。

这种可循环利用的先进产品,有望在几年之内取代现有的不可循环的材料,为未来的制造业添砖加瓦。

4.精密基因工程技术


基因工程技术一直处在科技领域的至高位置,在得到更多瞩目的同时也饱受争议。值得欣慰的是新的基因工程技术以渐渐使传统基因工程问题得到有效改善,特别是在植物的遗传学层面实现了更多重大进展。新技术可以使我们可以直接“编辑”植物的遗传密码,提高植物营养成分、让植物更好地适应气候变化等。

比如CRISPR-Cas9系统可以在抑制不需要基因的基础上就可以发挥出与自然变异别无二致的功用;核糖核酸干扰技术(RNAi)可有效预防病毒和真菌病原体,保护植物免受病虫害,减少对化学杀虫剂的需求。这种技术还可以惠及主要粮食作物,预防小麦秆锈病、稻瘟病、马铃薯晚疫病、香蕉枯萎病等。提高农作物的成活率。

新基因工程技术,是人类解锁大自然生命奥秘的钥匙,相信这种精密的新技术会帮助人们在生物医药等领取取得更深层次的突破。

5.增材制造技术


增材制造技术,顾名思义就是先从液体或粉末等碎料着手,然后再利用数字模板,将碎料打造成三维形状。与批量生产不同,3D产品可以根据终端用户需求,实现高度的个性化。还有一些医学应用正引领3D打印朝生物科学的方向迈进。如今,通过直接打印人体细胞,已有望制作出活体细胞,在药物安全筛查和最终的细胞修复与再生等方面开发出有潜力的应用。

增材制造技术的下一个重要阶段将会是以3D技术打印线路板等集成电子元件。虽然利用这种办法要将用各种不同材质制作而成的不同电子元件组合为一体并不容易,但不失为一个未来的重要发展趋势。

6.自然发生的人工智能

人工智能(AI)就好比算机的思维,它可以帮助使程序独立思考,比如前不久的alphaGO,还有无人汽车驾驶等技术都在说明人工智能在未来科技发展中的地位。尽管人工智能还处于测试阶段,但对于一些学习和记忆任务而言,机器确实要优于人类。

特别是自然发生的人工智能,它在此基础上又更进了一步,机器可通过消化海量信息进行自动学习。卡内基梅隆大学的“永不停止的语言学习”项目(NELL)便是一例。这套计算机系统不仅能查阅数以亿计的网页来读取现成的材料,还能在此过程中主动提高自身阅读和理解能力,以求在未来进一步提升表现。

7.分布式制造技术

分布式制造技术将颠覆我们的产品生产方式和销售方式。这种技术把原材料和生产方式分散化,而产品的最终生产将在终端顾客的身边完成。

从本质上说,分布式制造技术的概念是尽可能多地用数字信息取代实体供应链。当前,分布式制造技术在使用上高度依赖自助式的“创客运动”,即爱好者们利用本地的3D打印机、用本地的材料来生产产品。这当中有开源思维的元素,即消费者可以根据自身需求和喜好来制作个性化的产品。分布式制造技术能使当前一些模式化的物品变得更为多样化,比如智能手机和汽车等等,产品的体积大小也不成问题。

这对制造业的突破是非常有启迪的。

8.能够“感知和躲避”的无人机

无人机技术已成为现今军事、农业等领域被广泛利用,还有望在物流行业大显身手。

但截至目前,这些无人机仍都有人类飞行员,只不过这些飞行员是在地面远程操控飞行器的飞行。随着科技手段的发展,无人机技术将要开发可以自主飞行的机器,应用领域将进一步拓宽。要做到这一点,无人机必须能感知周围环境并做出应对,调整飞行高度和飞行线路,避免与途中其他物品发生碰撞。

在自然界中,鸟类、鱼类和昆虫均能成群结队地集合在一起,每一只动物几乎都能与身边的伙伴同步瞬时移动,并以团队为单位飞行或游动。无人机不妨对此加以模仿。

9.神经形态技术

计算机是线性的,主要依靠高速中枢,在中央处理器和存储芯片之间实现数据的来回移动。相比之下,人脑则处于全方位的互联状态,人脑中的逻辑和记忆紧密关联,其密度和多样性均是现代计算机的数十亿倍。神经形态芯片旨在用与传统硬件完全不同的方式处理信息,通过模仿人脑构造来大幅提高计算机的思维能力与反应能力。神经形态芯片能效更高、性能更强,可将负责数据存储和数据处理的元件整合到同一个互联模块当中。

从某种意义上说,这一系统与组成人脑的数十亿计的、相互连接的神经元颇为相仿,可更好地处理和应对图像信号的无人机、更为强大、更为智能的相机和智能手机、有助于解读金融市场奥妙或进行天气预报的大规模数据透视。

试想,计算机可以自主地进行预测和学习,而不是仅仅按照预先编写好的程序行事。

10.数字化基因组

排列基因组自古以来就是人类遗传学的重要课题。

而数字化基因组的出现,把原本需要花费数年和大笔资金的排序,简化到几分钟,数百美元就能完成。并且所得数据也可以利用电脑设备轻松传输,并通过互联网渠道便捷分享。仅仅需要很低成本就能探知我们每个人的独有遗传结构。不仅如此,有了数字化技术之后,医生能通过观察肿瘤的基因结构来决定如何治疗癌症患者。同时,这一新知识也有助于制定具有高度针对性的疗法,使精确用药成为可能,从而改进患者特别是癌症患者的治疗效果。

可以说这种新技术的出现将为进一步推动医疗个性化、改善医疗效果带来一场革命。


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