增材製造（三維打印）

 

    增材製造技術早期叫做快速成型(Rapid Prototyping)，  是20世紀90年（nián）代發（fā）展起來的一項先進製造（zào）技術，對促進企業產品（pǐn）創新、縮短新產品開發周期、提高產品競爭力（lì）有積極的推動作用，主要包（bāo）括（kuò）FDM(熔融層（céng）積成型)、SLA（立體平版印刷）、SLS（選擇性激光燒結）和DLP（數字光處理）等技術。三維打（dǎ）印是各種快速成型技術的統稱。快速成型技術的材料主要（yào）是非金（jīn）屬，主要用於研發階（jiē）段的驗（yàn）證。近年來，國內外多家企業和研發機（jī）構已實現了（le）金屬材料的（de）快速（sù）成型，成型的速度、精度不斷提高，材料價格（gé）不斷下（xià）降，可（kě）以直接製（zhì）造單件小批的零件，因此，國際（jì）上將該技術領域稱為增材製造(Additive Manufacturing)。

 

    目前，國際主流的增材製造產品和解決方案提供商包括3D systems、Stratasys，以及專注（zhù）於金屬增（zēng）材製造的EOS等（děng）。最近兩年，主流的IT廠商開始進軍該（gāi）領域，增材製造領域進入了快速發展階段。例如惠普推出能夠打印真彩色和多種材料（liào）的多射流熔融（róng）(Multi-Jet Fusion)技術的3D打印機（型號分別（bié）是3200和4200），打印速度比其他三維打印機快十倍。Autodesk公司則推出基於（yú）DLP技（jì）術（數字光（guāng）處理，Digital Light Processing）的Ember三維打印機和開放的Spark三維打（dǎ）印平台，並與Windows10操作係（xì）統進行了集（jí）成。2016年9月，GE出資6.85億（yì）美元收購瑞典著名工（gōng）業級3D打印機製造商Arcam公司，該公司擁有電子束熔融( EBM)金屬3D打印技術。全球激光加（jiā）工（gōng）巨頭通（tōng）快集（jí）團（tuán）也推（tuī）出了金（jīn）屬材料增材製造設備。最近，由華中科技大學張（zhāng）海鷗教授主導研發的“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術，成功製造出（chū）了世界首批3D打印鍛件。運用該技術生產零件（jiàn），其精細程度比激光3D打印提高50%。同時，零件的（de）形狀尺寸和組織性能可控，大大縮短（duǎn）產品周期。

 

    全球IT巨（jù）頭、製造業巨（jù）頭和學術界的共同關注，市場對個性化定製需（xū）求的迅速增長，推動了（le）增材製造技術的蓬勃發展和廣泛應用（yòng）。GE在美（měi）國匹茲堡設立了增材製（zhì）造工廠，西門子（zǐ）則在瑞典設立了（le）增材製（zhì）造工廠。

 

    增材製造技術（shù）可以與機器人加工、CAE分析、拓撲（pū）優化、材料創新，以及傳統（tǒng）的切削加工結合起來，提高製造效率、提升製造精度（dù）、顯著降低零件重量、明顯提升零件強度，大（dà）幅度降低製造成本。德國機（jī）床巨頭DMG MORI已（yǐ）率先（xiān）推出增材製造和切削加工實現混合製造的加工中（zhōng）心。全（quán）球設計軟件領導廠商（shāng）Autodesk公（gōng）司推出衍生設計技術，實現了增材製造技術與拓（tuò）撲優化技術的集成應（yīng）用。美國的（de）高端運動品牌Under Armour已經使用了Autodesk衍生設計和增材製造技（jì）術（shù）來製造運動鞋。

 

 

DMG MORI（德瑪吉森（sēn）精機）推出的全球首台混合製造加工中心

 

高端運（yùn）動鞋品牌Under Armour使用衍生設計（jì）和增材製（zhì）造技術製造的運動鞋

 

2

物聯網

 

    物聯（lián）網技術( Internet of Things)是目（mù）前全球最熱門的技術領域之一。未（wèi）來（lái）傳感器的數量（liàng）將遠遠超過人類（lèi）的數量，物（wù）聯網經濟的規模將遠大（dà）於互聯網經濟。製（zhì）造業是（shì）物聯網（wǎng）技術應用最重要的領域。思科公司的研究報告認為，製造業將（jiāng）占整個（gè）物（wù）聯（lián）網市場（chǎng）的27%。

 

    GE公司推出的麵向製造業（yè）的工業互聯（lián）網平台Predix受到業界高度關注，該平台可以（yǐ）有效支撐物聯網的工業應用（yòng）。GE組建了GE數據集團，力圖將Predix發展成為製造（zào）業物聯網應用的開放雲平台，最（zuì）近，GE宣布（bù）將Predix平台全麵開放。西（xī）門子發布了開放的工業雲平台Mindsphere，可以（yǐ）接入各種傳感器的信息，製造企業可將其作為數字（zì）化（huà）服（fú）務，例如預（yù）測性維護、能源數據管理以及工廠資源優化的基礎。美國PTC公司則形成了以物聯網（wǎng）開發平台ThingWorx為基礎的整（zhěng）體解決方案。三一重工則結合自身在物聯網應用（yòng）方麵的長期實踐經驗，推出了“樹根互（hù）聯（lián）平台”，打造本（běn）土的工業物聯網平（píng）台。通過物（wù）聯網實現對（duì）已交付給客戶的產品傳感器參數的采集，在此基礎（chǔ）上實現預測性維護和智能服務，可以促（cù）進（jìn）產品的備品備件（jiàn）銷（xiāo）售，避免產品運行時出現異常停機（jī），具有廣闊（kuò）的發展空間（jiān）。下圖（tú）是一個（gè）基於物聯網的預測性維護服務（wù）的典型案例。

 

 

基於（yú）物聯網的預測性服務案例

 

3

虛實融合技術

 

    西門子、PTC和達索係（xì）統三大PLM(產品全生命周期管理)技術主流廠商紛紛強調Digital Twin（虛實（shí）融合）技術，實現實際（jì）產品和數字產品模型的虛實融合，實（shí）際裝備和裝備的數字化模型的（de）虛實融合，以及實際車間與數（shù）字化車間的虛實（shí）融合。

 

    沈陽機床集團的i5機床實現了加工中心的真實加工（gōng）過程和數字模擬的加（jiā）工過程的虛實融合，通過手機掃描二維碼，可以在加工中心進行實際產品（pǐn）加（jiā）工時，在手機上看到對產品的三維模（mó）型進行的加工仿真。產品的虛實融合技術使（shǐ）企業可以從實際（jì）產品中，通過傳感器和物聯網（wǎng）采集數據，對數字產品模型進行仿真分析，從（cóng）而實（shí）現不僅知其然，而且知其所以然，幫助（zhù）企業改進產品（pǐn）。海爾膠（jiāo）州工廠應（yīng）用了車間的虛實融合技術，可以將車（chē）間（jiān）的（de）三維（wéi）數字模型與MES係（xì）統反饋的設備狀態等實時信息結合起來，展示出車間的實（shí）時狀態，為企業優化生產（chǎn）提供（gòng）了新的途徑（jìng）。

 

 

Digital twin技術可以幫助企業改進產品（pǐn）性能

 

4

協（xié）作機器人（COBOT）

 

    以往，工業機器人都是與人隔開，孤立地工作。2015年，ABB推出雙臂（bì）的（de）14軸協作機器人YUMI，可以幫助電子工業等領域實現小件裝配的自動（dòng）化應用，將人與機器人並肩合作變為（wéi）現實。博世也推出協作機（jī）器人APAS，它是協作機（jī）器人中首個獲得認證的助理係統，可（kě）以協助人（rén）類工作，且無需任何額外的防護。機器人的（de）保護皮衣是觸覺檢測裝（zhuāng）置，當檢測到（dào）人靠近時（shí），其會（huì）自動降低運行速度；在人離開該區域（yù）後，機器人會（huì）白動恢（huī）複正常速度。未來的製造模式並不（bú）是（shì）機器換人，而是人（rén）機協作。協作（zuò）機器人（rén）的（de）應用將徹底改變未來（lái）工廠的生（shēng）產組織和工人的工作方式。

 

 

博世的APAS協作機器人

 

5

材料（liào）工程

 

    世界材料產業的產值以每年約30%的速度增長，化工新材料、微電子、光電（diàn）子、新能源是研究最活躍、發展最快的新材料領域，複合（hé）材料的應用越來越廣闊。圍繞著材料創新，國（guó）內外都在開展產（chǎn）學研的協作。複合材料的製造工藝與傳統（tǒng）的金（jīn）屬材料製作工藝和製造裝備差別很大。既能夠保持材料的強度，又能夠（gòu）減輕重量，是複合材料的一大優勢。眾所周知，波音787飛機複（fù）合材料的使用率已經達到（dào）了50%。

 

 

波音787複合材料機頭的（de）製造

 

    國際著名PLM研究機構CIMDATA已經將材料工程作為產品創新平台的核心組成部分。在美國國（guó）家製造業創新網絡中，已（yǐ）建（jiàn）成的九個研究所中，就（jiù）包括了（le）輕型現代金屬製造業創新研究所、複合材料製造創新研究所、革命性纖維和紡織品創新製造研究所等與材料創新直接相關的研究機構，足以說明美國對材料創新（xīn）的重（chóng）視。在新能源領域，石墨烯材料的應用也被寄予厚望。

 

6

人工智（zhì）能技術

 

    IBM非常重視人工智能技術的研究，提出了認知計算( Cognitive Computing)理（lǐ）念，應用到各（gè）個行業（yè）。在2016年漢諾（nuò）威工業展上，IBM展出了認知計算與（yǔ）物聯網結合的應用。首先通過物聯網對生產過程設備工況工藝參數等信息進行實時采（cǎi）集，再（zài）對產品質量（liàng）缺（quē）陷進行檢測和（hé）統（tǒng）計；然後在離（lí）線狀態下，利用機器學習技術挖掘產品缺（quē）陷（xiàn）與物聯網曆史數據之間的關係，形成控製規（guī）則；接下（xià）來（lái）在在線狀態下，通過增強學習技術和實時反饋，控製生產過程減少產品缺陷；最後集成專家（jiā）經驗，改進學習結果。另（lìng）外，語（yǔ）音（yīn）識（shí）別技術在製造業也開始得到（dào）應用，例如Honeywell推（tuī）出了（le）語（yǔ）音揀貨技術（shù）。華中科技（jì）大學李德群院士開發的智能注塑機，也（yě）采用了人工智能技術來計算最優化的工藝參數，從而大大提高（gāo）產品的合格率，顯著（zhe）降低（dī）能耗。

 

    以上分析的六項新興技術，每項技術的創新發展（zhǎn）都給製造業帶來重大變革。在同一時期，這（zhè）六（liù）大新興（xìng）技術都取得了跨越式發展，而且是交（jiāo）相輝映，實現了協同應用，因此能夠幫助應（yīng）用這些（xiē）關鍵技（jì）術的企業實現商業模式、研發與製（zhì）造模式、企業運營模式的突破性創新。這昭示著，製造業已經進入了技術大變革時代。這個（gè）時（shí）代對創新者（zhě）會帶來極大的機遇，而保守者則會加（jiā）速退出曆史舞台。