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      工業4.0進行時:這三大變化將重塑制造業的未來

      發布者: 維密  時間:2019-05-30

       資本實驗室·今日創新觀察
      聚焦前沿科技創新與傳統產業升級

          在過去,傳統的產品生產和銷售一直遵循這樣的流程:發現消費者需求——企業設計圖紙——制作原型——設計制造產品所需的工藝裝備——進行大規模生產——推向市場。大規模機械化使得工廠在極短的時間內,即可制造出大量的產品,并改變了數十億人的工作與生活。但傳統產品生產存在著諸如研發成本高、生產周期長、原材料利用率不足、產品可能會大量積壓等一系列問題。
       
      Source: PHD Ventures, Inc.
          今天,隨著互聯網與制造部門、消費者的深度融合,一切都在發生翻天覆地的變化:
          一方面,企業獲取消費者信息的渠道更加簡單快捷,得以更快地了解消費者需求及市場變化。另一方面,物聯網、傳感器、3D打印、機器人、人工智能等技術的應用,使工廠的生產、管理與運營更加智能化、自動化。
          因此,產品從設計到大規模生產的流程正在因新技術的應用而發生變化,而以下三大變化將為制造業帶來根本性的變革:大規模定制、開放式創新與智能化工廠。這些變化也將是工業4.0最直接的體現。

        1.大規模定制
          因成本問題,個性化和定制化一直是傳統制造業難以施展的領域。而3D打印、人工智能、新材料等新技術的融合將使企業可以規?;厣a個性化定制產品。
          據預測,人工智能只需將自動化生產轉向自定義配置產品,即可滿足不同消費者的多樣化需求。
          3D打印將使得我們直接從設計轉到生產,并具有更強的適應性,得以加速數量級生產。
          3D打印也將成為大規模定制化生產的最大驅動力,而通過結合大量的消費者數據以及人工智能技術,定制化產品可以快速滿足市場需求。
          目前,該技術正處于指數級增長階段。據統計,2015年,增材制造(俗稱3D打?。┬袠I市場規模增長至近52億美元,價格在5000美元以內的3D打印機在全球銷量超過25萬臺。據IDC預測,到2021年,全球3D打印行業的支出將達到近200億美元。
          通過這一技術,并借助新的設計軟件,我們可以定制符合解剖學標準的醫用支架、個性化牙科產品、改裝飛機和汽車零部件,并可以制造諸如傳感器、藥物輸送系統和實驗室芯片應用領域的微型產品。
          去年,Adidas與3D打印公司Carbon 3D合作推出了3D打印運動鞋,將運動員特定的數據和個人緩沖偏好通過3D打印技術融入到運動鞋中。
          通過數字光合成(DLS)3D打印技術,Carbon 3D公司創紀錄地從液體材料中打印成品鞋,并很好的控制鞋子的彈性、比強度及其它產品屬性。更厲害的是,這一新的工藝能夠最大限度地減少設計流程和原型設計時間,從而直接進行生產,將產品生產周期縮短多達9倍。
          3D打印的應用,不僅僅局限在小型商品制造上。2018年4月,荷蘭3D打印公司MX3D完成了世界首座3D打印鋼制橋梁,并即將安裝在阿姆斯特丹。
          MX3D公司使用的六軸機器人手臂可以在空中從任何方向進行打印。這種多軸打印技術幾乎完全消除了傳統3D打印所需的某種物體支撐,為未來的新結構打印開辟了新的方向。
          然而,3D打印技術并非該40米長的橋梁的唯一新技術。為確保這座橋梁的安全性和優化性能,3D打印鋼結構還配備了一系列傳感器,可以監控自己的健康狀況,記錄下走過它的人數和速度,并測量空氣中污染物等數據,還能將收集的數據創建成一個數字橋梁模型,為以后的設計提供數據參考。
          3D打印的應用還遠不止于此。在一個更微型的領域,也就是電子領域,3D打印同樣在開啟一個定制化和按需電子的新時代。
      過去,電子產品生產時,需要手動嵌入電路。然而,通過3D打印技術,我們可以將導電油墨直接在產品中打印成電路,一次就可以完成。
          例如,以色列電子3D打印公司Nano Dimension和美國3D打印公司Voxel8等初創公司正在使用導電油墨來打印電路。通過3D打印技術打印出來的電路熱穩定性高,厚度僅有幾微米,所以不斷發展的導電油墨有可能為硬件生產帶來革命性變化。
          總之,3D打印拋棄了冗長的設計環節、多階段原型設計、昂貴的工具和統一化的生產,從而可以大幅度降低生產成本,并將徹底改變傳統工業制造的生產流程。

        2.開放式創新
          傳統制造企業一般都遠離都市,在設計和研發產品方面費時耗力,且為了安全起見,只能在企業內部自行研發。而隨著創新工廠、孵化器、制造設備實驗室的興起,城市正在成為傳統制造業的創新來源。無論是內部研發還是外包,從產品設計到生產技術,任何人都可以介入其中并參與發明。
          在過去,我們談論“開放式創新”已經很多年,不少企業也已經通過這一模式獲得了可觀的成果。但受制于技術、社區等限制,開放式創新并未在更大范圍實現。而現在,真正的“開放式創新”正在到來。在制造業中,當可訪問的用戶界面出現時,借助類CAD設計軟件和易用的界面,每個人都可以成為發明家和技術創新者。技術開發也將真正呈現出指數級增長,“開放”將成為制造業的關鍵詞。
      硬件工作室和企業孵化器的新生態系統正在城市中心興起。諸如初創企業孵化器Playground Global和開源3D打印公司LulzBot之類的公司正在不斷壯大,為自由創業者提供了優越的物理辦公空間和制造能力。
          2015年,Android之父Andy Rubin聯合其他人成立了Playground Global孵化器,為初創企業提供包括業務、辦公空間以及機械設計的各種指導,并幫助他們解決材料、工程、制造、供應鏈管理、分銷等問題。
          通過提供內部專業技術來交換小型股權,硬件生態系統實驗室Flex Lab IX幫助數十家創業公司構建變革性技術,例如無人機系統、超薄電池、智能頭帶等。
          正如美國工業設備制造和工藝設計及測試供應商Bestronics的首席執行官Nat Mani所說:“我們越來越多地尋求與初創企業的合作,將其作為業務發展的一種形式,同時也要保持在新技術領域的領先地位。這些初創公司經常在嘗試我們需要知道的新事物。
      美國3D打印解決方案提供商3D Systems和工業級3D打印解決方案供應商Stratasys等行業巨頭也正在接受分布式制造這一新模式。
      憑借其連續構建3D演示器,Stratasys提供了一個模塊化3D打印機墻,所有打印機均通過云端工作并進行集中控制。
          風險投資基金Bolt則為那些進入Y Combinator和其他加速器的初創公司提供原型設備實驗室,并幫助他們開發產品。Kickstarter等眾籌平臺也為創業者提供了初始融資服務。隨著分布式制造和自動化制造成本的下降,未來開放式創新設計與研發將出現爆炸式增長,而傳統制造商的產品研發模式將受到非常大的挑戰。

        3.智能化工廠
          對于一家成熟的制造企業,工業物聯網、人工智能、協作機器人和Li-Fi將是走向未來制造業必須具備的前沿技術。
          智能工廠也將成為未來制造業的終極方向。隨著新型傳感器、機器學習工具和檢測無人機等技術的應用,工廠設備不僅能夠立即自主糾正錯誤,生產過程也能實時滿足不斷變化的需求。
          作為工業物聯網領域的領先企業,美國公司TE Connectivity設計和制造高度精密的連接器、傳感器和電子元件。從醫療行業到家電行業,從航空航天到國防等領域,TE的產品實現了機器間的通信。而在更偏僻的地區,機器對機器的通信尤為重要,因其可以允許在智能機器人之間分散傳輸數據。例如,區塊鏈物聯網初創公司Filament正在利用低功耗工業傳感器和區塊鏈來推動該領域的發展。
          物聯網通訊初創公司Kepler Communications則利用小型的衛星矩陣取代傳統衛星通訊,為偏遠地區的工廠實現工業物聯網設備之間的通訊。
          智能傳感器可以轉換數據,實現與制造設備間的通信,并在性能或安全受到威脅時關閉設備。工業物聯網也使得我們能夠分析生產配額,進行預測性維護并遠程輸入設計。
          對于大型制造商而言,產品召回是最昂貴最可怕的災難,而人工智能的應用,則可以將產品召回的風險降到最低。
          硅谷人工智能初創公司Landing.ai開發的用于生產線的機器視覺工具,可以發現人眼無法看到的電路板和產品中的細微缺陷。通過精確的現場質量分析,即時反饋錯誤,與工業物聯網相連的機器可以在發生任何損失之前暫停生產,從而避免進一步的損失。
       
          Instrumental、Maana和Augury等創業公司通過收集和分析由物聯網生成的海量數據,使用機器學習技術來檢測設備和機器的異常與風險,并提前預警。
          美國工業物聯網解決方案提供商Augury開發了一套完整的傳感器套件,通過工業物聯網分析機器的聲音變化,以此發現機器的異常情況。
          隨著云連接、協作機器人能夠實現自主管理,未來的工廠將實現全自動化運行。
      美國無人值守3D打印工廠Voodoo Manufacturing擁有世界首個功能齊全的、機器人操作的3D打印機群——Project Skywalker。這一系統通過專業軟件,將9臺3D打印機和一個機械臂組合在一起。
          該系統可以自動移除和更換一臺3D打印機的構建板,然后繼續打印過程。而傳統生產中,移除和更換構建板需要占用員工約15%的時間。
          這一系統還可以實現24小時自動運行,無需人員監控。而通過大規模部署Skywalker,其位于布魯克林的工廠產能提高了400%。這樣的技術與模式將徹底打亂傳統制造業的生產模式。
          3D打印機、協作式3D打印機群、聯合機器人、管理3D打印機的機器人、構建機器人的3D打印機,所有的這些只不過是一個開始。
          在未來,傳統制造的物理限制和空間限制將不再那么重要,設計、生產將更加扁平化、更加開放。在此背景下,制造業巨頭和新興創業公司都將擁有前所未有的發展機遇。


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