关于智能制造、工业4.0、网络-物理系统以及与未来制造相关的不少主题,前人的研究已经取得了大量的成果。本文旨在为读者提供一个新的视角,去讨论其他较少被人所关注的,却对未来制造业至关重要的话题,如混合制造系统,先进制造基本构成元素。 

一、重新定义制造业

制造业对国民经济的贡献深远而广泛。它的贡献包括国内生产总值(gross domestic product,GDP)、出口、高薪工作、有意义的投资回报以及制造业创新与STEM(科学、技术、工程、数学)教育及国家安全等领域之间的共生关系。因此,我们急迫地需要让政策制定者和公众了解先进制造业对于经济、社会和国家经济结构等的影响。但是,提高公众意识并获得政策制定者的支持并不是一件易事。我们面临的主要挑战是制造业留给大多数人以“完全过时”的印象。在公众眼中,今天的制造业仍与过去低科技含量的工厂和车间别无二致。

所以我们的第一项重大任务是(重新)定义未来制造业。我们的目标是:①让公众了解制造业如何影响我们的经济和社会;②获得决策者的明确支持。这项任务的主要障碍是新颖的制造工艺、创新的材料和颠覆性的商业模式对现有的基础认知带来的冲击。

在创新材料方面,一个极佳的例子是细胞制造。10年前,除了专业人士外很少有人知道细胞治疗方法。但如今由于其临床效果及其对社会、经济的影响,它正迅速成长为被广泛应用的医疗模式。例如,由佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology,Georgia Tech)所领衔的全国细胞制造联盟(National Cell Manufacturing Consortium)绘制了一张关于细胞制造的行业发展蓝图。随着细胞治疗被用于心血管疾病、癌症、神经疾病和炎症,细胞开发和培养将无处不在。细胞制造也将从一个目前少有人知的产业变成未来制造业的重要组成部分。然而在这么一个新兴的制造领域里,我们遇到了很多用传统定义无法清楚界定的概念。例如,在用细胞制造单克隆抗体的过程中,既包括了提取具指定抗原免疫力的小鼠脾细胞的步骤,又包括了将这些细胞与骨髓瘤细胞融合,生产新细胞的步骤。如果我们仍然遵循传统制造业的定义,那么应当把处在生产过程中的细胞材料看作制造的原料还是产品本身呢?

在加工工艺方面,随着材料选择的拓广、材料性能的优化、材料效率和质量的提高,增材制造(3D打印)作为一种“直接生产”工艺正在获得广泛认可。然而,增材制造不应仅仅被视为一种制造过程。除了改变产品的制造方式外,增材制造还会改变产品的运输方式(即其对于供应链和物流的影响)和产品的设计方式(如拓扑优化或部件合并等)。

GE90喷气发动机燃油喷嘴即是增材制造应用于零件加固领域的一个众所周知的成功案例。通过增材制造工艺,燃料喷嘴不仅将旧有设计的所有20个部件合并为一个单元,而且重量减轻了25%,强度增加了5倍。该喷嘴的最终性能远远超出了团队一开始的预期。增材制造使单位成本对生产批量的敏感性大大降低。人们得以将单位成本与生产规模两个因素分离考量,解决了这一自制造业行业诞生以来持续困扰制造商的难题。因此,在未来的某一天,零件将能以几个甚至一个为一批地进行生产,也能随时随地以合理的成本进行生产。这种不受时间空间局限,单个产品为生产单位再集成的概念将改变许多现有的商业模式,刺激更新、更先进商业模式的诞生。

就商业模式而言,制造业服务正成为定义产品价值的核心驱动力。在下述案例中,制造引领了价值的创造,而技术使其成为可能。许多制造公司已经意识到,制造和服务正在融合,因为我们的经济已经从最初单纯的一次性交易转向了公司与客户的持续互动。那些通过智能传感器和通信技术实现的服务非常先进而且高利润。它们正逐渐成为许多制造商商业模式中不可获取的重要环节。制造-服务混合型的商业模式正在取得喷薄式的成功。

例如,劳斯莱斯公司(Rolls-Royce)在其喷气发动机中安装了传感器,对发动机运行进行性能监控和问题检测。所以,该公司并没有传统地让客户直接购买发动机,而是收取发动机维护费盈利。这就是产品至服务的转变。又例如,百保力公司(Babolat)在其生产的网球拍中加入传感器。伴随着用户的击球,传感器收集各种数据。因为这些数据,百保力公司可以准确分析球员的相关情况,随后便顺利成章地开始提供教练服务获得盈利。再如,约翰迪尔公司(John Deere)的某些设备可以收发天气及土壤条件的相关数据,以便向客户提供关于播种时间和地点的建议。这些都是制造-服务混合型商业模式很好的案例。

二、混合制造

大约30年前,创新带来的机器人热潮迅速席卷各大工厂。当时许多人预测,10年内,所有工厂都将充满机器人,不会有人工操作员了。但几十年过去,工厂仍需要人工操作员,并且这种情况在可预见的未来不会发生变化。几年前,人们又预测增材制造将取代所有加工工艺。但如今我们有充足的理由相信这种情况也不会发生。未来的工厂将是机器人和人类的混合体、增材与减材制造的混合体、复合材料与金属的混合体、数字过程和模拟过程的混合体、网络系统和物理系统的混合体、在纳米和宏观的多尺度上由诸多元素构成的综合体。机器人不会完全取代人类,就像增材制造也不会完全取代减材制造一样。然而,他们将协同工作以实现责任的合理分配。所以,研究某单一系统固然重要,但同等甚至更为重要的是对于不同系统之间交互方法的研究;以及对于系统之间技术平衡和财务平衡的研究,即人机之间的交互、增材制造与减材制造之间的交互、复合材料及金属使用的交互等。为保障高效运行,执行标准对于由多个子系统混合组成的综合系统至关重要。

三、未来制造业企业的基本构成元素

历次工业革命都至少历时了80年的时间才最终完成。所以如今,准确地对工业4.0做出定义还为时尚早。然而,根据我们目前之所见,我们有理由推测,未来的成功制造业企业将包括以下七大重要基本构成元素。

(1)数字孪生体(digital twins)与数字线程(digital threads)。数字孪生体与数字线程的概念最早由美国国防部提出。现如今,其应用范围已远远不限于最初的开发部门。数字孪生是指物理实体或物理流程的数字化镜像。它提供有关物理实体或流程的独特信息,如设计规范、工程模型、成品数据、运营数据。而数字线程则是一个能够提供全方位物理实物联网和信息交互的数据基础框架。它能够提供整个制造生命周期内所有数据的组合视图。准时制生产方式是指制造过程通过“在正确的时间将正确的组件送到正确的地方”得以实现。与之类似,数字线程的概念是指在正确的时间将正确的信息传递到正确的地方。

(2)全供应链的透明度与可视性。系统工程的概念已被我们所广泛接受。它超越了对生产中心或配送中心进行独立优化的概念,倡导优化整个供应链或整个供应基础网络。通过物联网(Internet of Thing,IoT)和数字线程技术,我们向整个供应链的透明和可视迈进了一大步。

(3)混合制造。如前文论述,制造业的未来将基于混合系统的嵌入式体系而构建。

(4)创新材料。我们可以在很大程度上由制造必要工具的新材料之名,来定义人类文明的主要时期,如石器时代、青铜时代、铁器时代等。材料的创新仍将是科学、技术和经济政策领域的重要议题。制造业与材料是不可分割的。材料为制造提供了原材料,而制造则为原材增加了价值。据报道,从实验室阶段到成熟的商业化应用阶段,一个新材料平均需要经历20~25年。为了加速这个研究/开发/应用过程,我们必须从多角度尽快谨慎地完成基础设施的建构,包括先进制造以及综合计算材料工程等。

(5)高级计量学。作为一般的经验法则,计量的准确度往往比人们的估计值高一个数量级。随着纳米加工成为某些领域的常规技术,行业对于更先进的计量的需求将相应增加。

(6)适应智能制造的熟练劳动力。熟练制造业劳动力的匮乏可能是全球范围新一代智能制造业所面临的最大威胁。这种短缺至少来自于两个方面。首先,能够上岗的具有智能制造必需技术的人才缺失。也就是说,能胜任未来制造业的劳动力数量和质量均远远不足。仅在美国,到2030年为止,将会有350万的制造业人才缺口。其次,尽管我们认为学徒制是培养熟练劳动力的好方法,但大多数学徒项目几乎无法实现规模化。

(7)新商业模式的出现,譬如对于制造业及高端服务的融合。正如前文所述,我们观察到制造与服务相融合这一趋势于许多行业之中方兴未艾。

转自丨《中国工程院院刊》2018年第6期

作者丨Ben Wang

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