工业4.0:3D打印与制造业的未来
2018-06-06
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自工业革命爆发以来,技术进步推动了工业生产力的大幅提升。十九世纪由蒸汽机驱动的工厂,电气化导致了二十世纪早期的大规模生产,并且工业在二十世纪七十年代变成了自动化。然而,在接下来的几十年里,工业技术进步只是渐进的,尤其是与IT,移动通信和电子商务转型的突破相比。




 然而,现在我们正处在技术进步的第四浪潮中:被称为工业4.0的新型数字工业技术的兴起,这种转变由九项基础技术进步驱动。(见图1)在这个转型过程中,传感器,机器,工件和IT系统将沿价值链连接到一个生态系统。这些连接的系统(也称为网络物理系统)可以使用标准的基于互联网的协议进行交互,并分析数据以预测故障,自行配置和适应变化。工业4.0将能够收集和分析机器间的数据,实现更快,更灵活和更高效的流程,以降低成本生产更高质量的产品。这反过来又会提高制造业生产率,转变经济,促进工业增长,并改变劳动力状况-最终改变公司和地区的竞争力。




 今天本文译者带来的是BCG的工业4.0及制造业的报告,和大家一起讨论作为工业4.0构建模块的九项技术趋势,以及它们为制造商和生产设备供应商带来的潜在技术和经济效益。本文使用了德国相关的案例研究,这是公认的工业自动化领域的世界领先者。
  技术进步的九大支柱
  工业4.0基础技术的九大技术进步已经在制造业中得到了应用,但工业4.0将会改变生产:隔离的,优化的单元将成为一个完全集成,自动化和优化的生产流程,引领提高效率并改变供应商,生产商和客户之间,以及人与机器之间的传统生产关系。(见图2)




大数据和分析
  基于大数据集的分析直到最近才在制造业中出现,它优化了生产程序,节约了能源并改善了设备服务。在工业4.0的背景下,来自许多不同来源(生产设备和系统以及企业和客户管理系统)的数据的收集和综合评估将成为支持实时决策的标准。
  例如,半导体制造商英飞凌科技公司通过将生产过程结束时测试阶段捕获的单芯片数据与该过程早期晶圆状态阶段收集的过程数据相关联,减少了产品故障。通过这种方式,英飞凌可以识别在生产过程早期帮助排出故障芯片并提高生产质量。
 AI机器人
  据羿戓制造所了解,许多行业的制造商长期以来一直使用机器人来处理复杂的任务,但机器人正在不断发展以获得更大的应用。他们变得更加自主,灵活和合作。最终,他们将互相交流,并与人类并肩安全地工作,并向他们学习。这些机器人将比现在制造中使用的机器人成本更低,功能范围更广。
  例如,欧洲机器人设备制造商Kuka提供了可以相互作用的自动机器人。这些机器人是相互联系的,以便他们可以一起工作并自动调整行动,以适应下一个未完成的产品。高端传感器和控制单元可与人类密切合作。同样,工业机器人供应商ABB正在推出名为YuMi的双臂机器人,该机器人专门用于与人类组装产品(如消费电子产品)。两个填充手臂和计算机视觉允许安全的互动和零件识别。
  模拟
  在工程阶段,已经使用了产品,材料和生产工艺的三维仿真,但是在未来,仿真也将在工厂运行中得到更广泛的应用。这些模拟将利用实时数据来反映虚拟模型中的物理世界,虚拟模型可能包括机器,产品和人类。这允许操作员在物理转换之前测试和优化虚拟世界中下一个产品的机器设置,从而缩短机器设置时间并提高质量。
  例如,西门子和一家德国机床供应商开发出一种虚拟机,可以使用物理机器的数据来模拟零件加工。这将实际加工过程的设置时间缩短了80%
  水平和垂直系统集成
  今天的大多数IT系统都没有完全集成。公司,供应商和客户很少紧密联系。工程,生产和服务等部门也不例外。从企业到车间层面的功能没有完全整合。即使是工程设计本身-从产品到工厂到自动化-都缺乏完整的集成。但随着工业4.0,随着跨公司,通用数据集成网络的发展并实现真正自动化的价值链,公司,部门,功能和能力将变得更加紧密。
  例如,DassaultSystèmes和BoostAeroSpace为欧洲航空航天和国防工业推出了一个协作平台。该平台AirDesign作为设计和制造协作的通用工作空间,并作为私有云上的服务提供。它管理着在多个合作伙伴之间交换产品和生产数据的复杂任务。
  
工业互联网
  今天,只有一些制造商的传感器和机器联网并利用嵌入式计算。它们通常组建在一个垂直自动化金字塔中,其中传感器和具有有限智能的自动化现场设备和自动化控制器供应到总体制造过程控制系统。但随着工业物联网的发展,更多的设备(有时甚至包括未完成的产品)将通过嵌入式计算进行丰富并使用标准技术进行连接。这使得现场设备可以根据需要进行通信并相互交互并与更集中的控制器进行交互。它还分散了分析和决策,实现了实时响应。

  Bosch Rexroth是一家驱动和控制系统供应商,为半自动化,分散式生产流程的阀门提供生产设备。产品通过射频识别代码进行识别,工作站“知道”每个产品必须执行的制造步骤,并且可以适应执行特定的操作。

 增材制造(3D打印
  公司刚刚开始采用增材制造,如3D打印,他们主要用于原型和生产单个组件。随着工业4.0,这些添加剂制造方法将被广泛用于生产小批量的定制产品,提供建筑优势,如复杂,轻量级的设计。高性能,分散式增材制造系统将减少运输距离和库存。
  例如,航空航天公司已经在使用增材制造来应用新设计,以降低飞机重量,降低其原材料(如钛)的开支。

  网络安全
  目前许多公司仍然依靠不连接或封闭的管理和生产系统。随着工业4.0带来的连接性和标准通信协议的增加,保护关键工业系统和生产线免受网络安全威胁的需求大幅增加。因此,安全可靠的通信以及机器和用户的复杂身份和访问管理至关重要。
  去年,几家工业设备供应商通过合作或收购与网络安全公司合作。
  云端
  有公司已经在一些企业和分析应用中使用基于云的软件,但随着工业4.0,更多与生产有关的企业将需要增加跨站点和公司边界的数据共享。同时,云技术的性能将得到改善,反应时间仅需几毫秒。因此,机器数据和功能将越来越多地部署到云中,为生产系统提供更多的数据驱动服务。即使是监视和控制流程的系统也可能变成基于云。
  增强现实
  基于增强现实的系统支持多种服务,例如选择仓库中的零件以及通过移动设备发送修复指令。这些系统目前还处于初级阶段,但未来公司将更广泛地使用增强现实技术,为工作人员提供实时信息以改进决策制定和工作流程。
  例如,工作人员可能会收到有关如何在查看需要修理的实际系统时更换特定零件的维修说明。这些信息可以使用增强现实眼镜等设备直接显示在工作人员的视野中。
  另一个应用是虚拟培训。西门子为其Comos软件开发了虚拟工厂-操作员培训模块,该模块使用逼真的基于数据的3-D环境和增强现实眼镜来培训工厂人员处理紧急情况。在这个虚拟世界中,操作员可以通过点击网络代表学习与机器交互。他们还可以更改参数并检索运行数据和维护说明。
  工业4.0的影响
  基于工业4.0元素的竞赛已经在欧洲,美国和亚洲的公司之间进行。
  量化影响:以德国为例
  为了对工业4.0潜在的全球影响进行量化的理解,我们分析了德国的制造业前景,并发现技术进步的第四次浪潮将带来四个方面的好处:
  生产率。在未来的五到十年内,工业4.0将会被更多的公司所接受,从而将德国所有制造业的生产力提高900亿欧元到1500亿欧元。转化成本的生产率提高将排除材料成本,从15%到25%不等。当材料成本考虑在内时,生产率将提高5%到8%。这些改进会因行业而异。例如,工业零部件制造商将取得一些最大的生产力提升(20%至30%),汽车公司预计将增加10%至20%。(见附件3)




 收入增长。工业4.0也将推动收入增长。制造商对增强型设备和新数据应用的需求,以及消费者对越来越多定制产品的需求将推动每年约300亿欧元的额外收入增长,即德国GDP的大约1%。
  就业。在我们对工业4.0对德国制造业影响的分析中,我们发现它刺激的增长将导致未来十年就业人数增加6%。(见图4)同时,对机械工程领域员工的需求可能会进一步增加-高达10%。但是,需要不同的技能。在短期内,实现更大自动化的趋势将取代一些执行简单重复任务的低技能劳动者。与此同时,越来越多地使用软件,连接和分析将增加对具有软件开发和IT技术能力的员工的需求,例如具有软件技能的机电一体化专家。(机电一体化是一个由多个工程学科组成的工程领域。)这种能力转变是未来的关键挑战之一。
  投资。我们估计,调整生产流程以纳入工业4.0将需要德国生产商在未来十年投资约2500亿欧元(约占制造商收入的1%至1.5%),德国的预计收益显示了工业4.0对全球制造业的潜在影响。工业4.0将对生产者及其劳动力以及提供制造系统的公司产生直接影响。




生产者
  下一波制造将影响生产商从设计到售后服务的整个价值链:
  沿着价值链,生产流程将通过集成的IT系统进行优化。因此,今天的孤岛制造单元将被全自动化的集成生产线所取代。
  产品,生产过程和生产自动化将通过一个综合过程并通过生产商和供应商的协作来设计和调试。物理原型将被减少到绝对最小值。
  工业4.0允许更快地响应客户的需求,它提高了生产过程的灵活性,速度,生产力和质量。它为采用新的商业模式,生产流程和其他创新奠定了基础。随着更多的工业生产商投资于工业4.0技术来增强和定制他们的产品,这将实现新的大规模定制水平。
  制造系统供应商
  随着制造商要求其工厂中具有工业4.0功能的机器和系统的更大连接性和相互作用,制造系统供应商将不得不扩大IT在其产品中的作用。这些变化可能包括在云中和嵌入式设备上部署功能更强大的模块化功能。随着系统的整体功能和复杂性的增加,需要更多的决策分配。此外,用于下载软件和协作伙伴关系的在线门户可以提供更灵活和适应性更强的设备配置。自动化架构也将针对不同的使用情况发展。供应商将不得不为这些情况做好准备并支持这些转变。
  工业自动化供应商和大多数机床制造商已经建立了重要的软件开发能力-但工业4.0将需要更多。此外,这些供应商将不得不与不断增长的与车间和生产相关的应用程序和数据驱动服务市场的IT企业进行竞争。
  机器,产品,零件和人员之间不断增长的互联性也将需要新的国际标准,以确定这些元素在未来的数字工厂中的相互作用。制定这些标准的努力尚处于起步阶段,但正在被传统标准化机构和新兴财团所推动。德国的Plattform Industrie 4.0是第一个驱动因素,但是由制造业,互联网,IT和电信公司于2014年3月创立的美国工业互联网联盟(IIC)已经成为一个突出的选择。随后,德国成立了一个新机构Dialogplattform Industrie 4.0,以抵消IIC的强大地位。其他几个标准化组织在该领域有雄心壮志。战略性地选择参与这些机构和其他机构,积极塑造标准化议程对于制造系统供应商来说至关重要。
  前面的道路
  行业和国家将以不同的速度和方式采用工业4.0。具有高水平产品变体的行业,如汽车和食品和饮料行业,将受益于更大程度的灵活性,从而可以提高生产力,例如,需要高品质的行业,如半导体和制药将受益于减少错误率的数据分析驱动的改进。
  生产者和系统供应商必须采取果断行动,积极塑造转型,以拥抱技术进步的九大支柱。他们还必须解决适应基础设施和教育的需要。
 生产者优先事项并提升员工素质
  生产者必须在他们的生产过程中确定优先级,并提高员工的能力,具体如下:
  确定关键的改进领域,如灵活性,速度,生产力和质量。然后,考虑技术进步的九大支柱如何推动指定地区的改善。避免陷入渐进式方法;相反,考虑由九种技术的组合所带来的更多基本变化。
  分析对员工的长期影响,并进行战略性员工队伍规划。调整角色,招聘和职业培训,为员工提供所需的额外IT技能。
  虽然这些改进已经对现有工业具有巨大的潜力,但新兴领域可以使用工业4.0技术来使用创新的工厂布局和生产工艺来破坏现有的标准。
  供应商必须利用(Leverage)的技术
  制造系统供应商需要了解他们如何在新的使用案例中使用技术,为客户提供最大的利益。这些技术可以用于不同的产品,如增强联网嵌入式系统和自动化,开发新的软件产品以及提供分析驱动服务等新服务。为了建立这些能力,他们必须建立正确的基础:
  定义哪种业务模式可用于增强或新增优惠。
  建立技术基础,例如分析工具基础。
  建立正确的组织结构和能力。
  发展在数字世界中至关重要的伙伴关系。
  参与和塑造技术标准化。
  同时,系统供应商需要为长期行业发展构建一个基于情景的愿景,并确保他们的战略将为最可能发生的情况做好准备。
 基础设施和教育必须适应
  生产商和供应商必须努力适应基础设施和教育,因为他们拥抱工业4.0的技术。这最好通过政府,行业协会和企业的共同努力来实现以下目标:
  升级技术基础设施,如固定和移动宽带服务。基础设施必须快速,安全和可靠,足以让公司依靠它来获得近实时数据。
  修改学校课程,培训和大学课程,并加强创业方法,提高员工的IT相关技能和创新能力。
  工业4.0为创新型生产商,系统供应商和整个地区提供了巨大的机遇。但是,与以前的转型发展一样,工业4.0也对落后者构成严重威胁。随着商业模式,经济和技能要求的转变,我们可以看到公司和地区层面的重大变化。