【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

10年前德国SAP的前CEO,德国工程院的孔院长在一次Hannover展会上提出了工业4.0。估计他当时也没有想到,在接下来的10年,工业4.0这个名词能在各个领域掀起这么大的波澜。
毫不夸张地说,工业4.0是这10年来全球制造业转型升级的一条主线。它就像一个巨大的小说IP,围绕着故事主线,各大公司开发了大量的前传,后传,外传,衍生剧,同人剧,电子游戏,动漫,动画电影等等作品。各种网络和信息技术都可以纳入其中:从最开始的CPS,IOT,云计算,大数据,到后来的机器学习,智慧工厂,数字孪生,甚至5G,可穿戴设备,几乎成了一个包罗万象的概念。简直就是工业界的漫威宇宙。
围绕这个工业IP,不少企业提出XX4.0,比如我就听说过机床4.0,木工4.0,交通4.0,服装4.0,甚至公厕4.0(智慧卫生间)等等概念。而我个人当时(包括现在)提过工艺4.0(Process 4.0),只不过迅速地被淹没在信息的汪洋里。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

就像有复仇者联盟就有正义联盟,有青铜圣斗士就有唐僧西天取经团队,工业概念们也是组队出现的,构成一个个“工业概念集”。工业4.0就好比漫威宇宙,光芒过于耀眼,以至于DC宇宙,赛博坦星球和水泊梁山上的英雄好汉们相较之下都黯然失色了。
可以说除了XX4.0之外,还有几个概念在欧美国家也非常火爆,但是由于我们在国内过于关注工业4.0,以至于忽视了其他的制造业热门话题。
比如复合材料,3D打印,轻量化设计,还有所谓的智慧材料,混合制造等。这几个概念是我个人认为非常重要的,从中可以看出欧洲制造业发展的另一个思路:那就是围绕材料工艺设计的制造业的升级(而不是工业互联网)
比如3D打印,虽然说这种最初被称为快速原型机的增材制造设备并不算是什么新技术。但是这种增材技术的出现,使制造极端复杂特殊结构成为可能。比如通过打印网格或棉絮状的结构就可以在几乎不改变零件强度的前提下,大幅减小零件质量。以至于在很多场合,轻量化设计和3D打印这对IP经常同时出现。
但是,3D打印是实现轻量化设计的制造工艺之一,并不是全部。支撑轻量化设计的有3大关键技术:FE自适性仿真,轻型材料和各类制造工艺。自适性仿真就利是用有限元仿真,不断优化出一个类似仿生结构的设计方案。但这种通过数值计算得出的最优解往往过于复杂,用3D打印的方法生产成本过高,无法投入商业应用;因此在获得仿生结构方案后,都需要再对其进行简化,使其在工艺上更容易实现。比如下图是空客最新的机体结构设计,桁架支撑系统非常复杂,但是每一根支撑杆并不复杂,也容易量产。金属型材或者碳纤维缠绕件都可行。
【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题
这就是非常典型的围绕设计,材料和工艺进行的技术革新。没有花里胡哨的东西,所有不同方向的技术都非常务实且可靠。更重要的是把技术创新的突破口选在产品设计环节,新的结构设计自然会给零部件材料和生产工艺提出更高的要求,那么生产厂商势必要根据客户要求改进设计生产设备和辅助工具,而供应商的生产运营数据也可以根据要求上云,以便空客实时掌握供应链的动态。所以这种技术创新模式带来的综合收益率远大于单纯面向生产端的工业4.0或工业互联网的创新。
复合材料也是支撑轻量化设计的重要技术。实际上,复合材料的核心技术并不在于“材料”而是“复合”,复合的本质是一种增材制造工艺,确切地说是“贴膜工艺”,就是把不同性质的材料一层层地叠加起来,使材料获得完全不同的性能。在这里,碳纤维是个明星材料,其制备工艺已经成熟,生产成本也开始大幅下降,以至于碳纤维复合材料也经常和轻量化设计组队出现。
通常的轻量化设计包括两个步骤,一是轻量化结构优化,就是前面提到的“仿生结构”设计,这个步骤不涉及到材料的改变;第二个步骤就是更换材料,比如用铝镁钛等有色金属合金替代钢材,或者采用玻璃钢,碳纤维,塑料等非金属材料和复合材料。
智慧材料跟复合材料关系是很密切的,就是在材料的复合做成中,加入一些特殊的结构,比如压力传感器,这样就可以实时检测到零件的受力;再比如用3D打印的方式制作出一些特殊的微观结构,让整个材料在特定条件下可以变换形状。也是新工艺,新设计的综合应用,最终获得新的零件性状。
下面视频是柔性可变机翼技术,设计概念和原型机大概10几年前就有了,大规模的商业应用估计也快了。把它算作智慧材料尽管有些牵强,但我们不妨设想通过微观制造的方法,把机翼的结构做得更小,更薄,这样一来,整片材料就可以按照我们的需要改变形状了。

要制造出这种智慧零件或智慧材料其实并不难,难点是如何低成本地实现。混合制造或者工艺融合将成为未来制造领域的大热点。
混合制造概念至少5年前就出来了,主要内容就是把3D打印和机械加工等完全不同的工艺融合起来,在同一个工位上,由同一台机器完成整个工序。最大的特点就是发挥增减材制造各自的优势。

应该说行业里的主要玩家都是机床和非标工艺设备企业,与我十年前预测的行业状态基本一致:既当3D打印技术和市场成熟后,传统机床企业会大举进场,蚕食非工业级3D打印机厂商的市场,而3D打印模块和材料供应商则获得巨大的商业利润。
可以说,上面几个商业概念都是围绕着工艺,设计和材料这三个要素做文章。其中也涉及到大量的数字化和自动化技术,比如仿真,特种自动化工艺模块等。但是这些技术都不是主角,而是为工艺,设计和材料服务的,是转型升级用到的工具。
如果把特定某一项的工业技术比作一个超级英雄,那么工业4.0,轻量化设计等商业IP是由超级英雄们组合起来的团体;而设计,材料和工艺就是英雄们为之战斗的目标,比如维护宇宙和平,公正和正义,是超级英雄们打怪的意义所在。
工业4.0和工业互联网等概念都要为制造业升级这个大目标而服务。如果把目标丢失了或者选错了,那么这部超级英雄电影就会变得缺乏灵魂或三观不正,很可能拍成黑袍纠察队等反超级英雄题材的片子。我国在搞智能制造和工业互联网的过程中正在陷入自我迷失,与制造业三大永恒主题:设计,材料和工艺渐行渐远。然而,欧美国家的制造业并没有只盯着工业4.0这个大IP,相关的小IP里面也出现了不少新的形势,这里面我大概列举几个近年来欧美国家制造圈子里工业4.0之外的热点话题。
过去10年欧美制造业热点话题汇总
设计
最热门的话题当属轻量化。比如空客这两个新产品,一个是前面提到的,跟AutoDesk合作开发的新结构,属于仿生轻量化设计范畴。因为Autodesk非常善于做marketing,所以这个零件经常出现在各类制造相关的网站和展会现场。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

另一个是具有仿生轻量化结构的摩托车。这个结构刚展出的时候也是惊艳四座,随后类似的结构也是在各类交通工具的设计原型中出现。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

 

宝马的全碳纤维车体应该说也曾经是一个经典的热门话题。在宝马之前已经有复合材料制品的供应商开发出全碳纤维驾驶室,而F1赛车也很早就使用了全碳纤维结构。但宝马方案的nb之处在于可以量产。
10年前,车身轻量化技术路线的选择给人的感觉是:宝马用碳,奥迪用铝,沃尔沃是高强钢。当然,现在也不是那么泾渭分明了。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

材料
新材料的新闻其实很多,特别是复合材料的创新,因为也相对容易。各种不同性能的“片材”,“线材”以及“芯材”经过任意组合就形成了具有不同力学特性的新的材料了。
石墨烯当然非常重要,但是因为没法量产,所以也就谈不上真正的工业应用。
金属材料似乎不太容易产生重大创新,因为冶金工艺也很难再有什么突破。利用激光对金属表面进行微观处理算是一个热点方向吧,因为这些微观结构比较容易通过激光控制工艺过程而实现。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

工艺
工艺这块我只想提特斯拉的铝合金整体压铸车体。他用一个传统压铸工艺,就让铝合金车身从70个零件减少到1个,这是一个非常聪明的技术策略。因为如果用冲压,焊接这些已经被传统车企玩得烂熟的工艺生产特斯拉的白车身,那么先天就技不如人,特斯拉的制造系统就没有任何竞优势。所以倒不如另辟蹊径,出奇制胜。
农机的底盘也都是铸造的,只不过用的是铸铁件。所以特斯拉的车体铝件铸造充其量算微创新,而最大的特点就是设备大,前期投入大。但是战略上意义重大,因为通过这个工艺,特斯拉可以极大地简化工序,把大量的焊接工艺省略掉了,让生产系统变得简单。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

工艺设备的价格也大幅降低,更确切的说是工艺模块降价了。
比如铺丝机,敷带机的生产厂家最早只有3家。价格贵得离谱,着实地卡着全世界复合材料生产商的脖子。但最近几年发现铺丝头模块的供应商越来越多,目前应该有近百家了,而且侧重方向不同,可见技术门槛已经大幅降低了,而且工艺的成熟度也越来越高,以至于不少设备供应商愿意投入资金开发新的机器。
类似的还有金属熔覆3D打印模块,最初只有一家法国研究所和一个英国研究所做出来了原型机。而现在应该有几百家大大小小的自动化公司可以开发包括塑料3D打印模块在内的增材工艺功能子系统。
对于机床厂商来说,这些功能模块基本上可以做为刀具或主轴来使用。重量较轻体积较小的自动化工艺模块可以做在刀柄上,平时挂在刀库里;而较大且笨重的自动化模块也可以采用更换主轴的方式,但目前采用这种方式的特种工艺设备还并不多(技术完全可行)。
再有就是柔性夹具,在飞机零部件制造领域里,曾几何时,柔性夹具的价格比五轴联动龙门机床都贵,全球范围能做的也不多。但现在能做自动化柔性夹具的公司也越来越多,而且设计也越来越合理,经济性越来越好。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

可见,在欧美制造业圈子里,可以非常明显地感觉到另一股转型升级的动能:那就是围绕材料,工艺和结构设计的技术升级。

【盘点】过去10年我们错过的制造业热点话题

机器设备,自动化,软件都是制造业升级的工具,都应该为工艺和设计服务,而设计和工艺施加在材料上,把材料转变为我们需要的产品或零件,这就是制造最本质的过程。如果抛开材料,工艺和设计谈自动化,设备或软件,那么就很容易喧宾夺主,事倍功半。

 

 

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