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大变革先进制造加速 3D打印机器创造未来

字号+ 作者:新闻小编 来源:未知 2019-07-11 10:53 我要评论( )

:制造业正在经历的变化与通用零件或生产线的引入具有完全同等的意义,甚至意义更大,在通用电气全球研究实验室......

  制造业正在经历的变化与通用零件或生产线的引入具有完全同等的意义,甚至意义更大,在通用电气全球研究实验室(GEsglobalresearchlab)(距离电池工厂大约15分钟路程)负责先进技术研究的迈克尔埃德尔西克(MichaelIdelchik)说,未来不会是延伸与远方各大工厂网络相连的全球供应链的问题,它是使用高度精密的新工具和新材料从事小型、灵活的制造生产活动的问题。

  然而,新工业革命这个大标签远非无根无据。尚在初期的这场大变革正在加速,因为很多发展趋势汇集在了一起:与云计算相关的海量数据成本低廉、具有可访问性;能让机器变得更灵巧的电子传感器、微处理器和其它元件的成本急剧下跌;软件和通信技术的进步让人能够以全新的精准度管理制造业并提供新的合作形式。

  新一波的超级廉价电子传感器、微处理器和其它元件意味着像希斯洛普的工厂那样的设施几乎不需要人工帮助就能完成工作,而且在整个过程中可以收集大量的数据。经理可以得到有关潜在问题的即时提醒,或者研究数据,以求找到提高效率、改善性能的办法。

  灵活制造无穷无尽

  与此同时,技术的进步现在让制造商能够发明新的方式制造出与经典生产线生产的产品截然不同的东西。迄今为止,这些进步中意义最重大的是叠加式制造(additivemanufacturing)──一个能根据数字模型制造出差不多任何形状的三维物体的过程。

  这些奇异的机器可以使用各种原材料──从木浆到钴类的所有原料──制造出诸如运动鞋、飞机燃油喷嘴、最终甚至还有人类器官等形形色色的产品。一台制造设备不是专门设计来实现一种功能,它可以用程序控制,制造出几乎无穷无尽的产品来。

  当然,那也包括制造出更多的机器。欧特克公司(AutodeskInc.)正在旧金山市中心区的一个码头建造一个先进制造设备实验室。我们在参观该实验室的时候,公司首席执行长卡尔巴斯(CarlBass)指了指地上贴着的某张封口胶,它标记的是一台电脑控制的精密铣床将要安放的地点。

  日本森精机(MoriSeiki)公司正在萨克拉门托市(Sacramento)的一家自动化工厂生产那台机床,巴斯(他的公司负责制作计算机辅助设计软件)说,那家工厂太先进了,你几乎都不需要开灯,因为机器完成了所有工作,它们生产的是其它机器。实际上,在英国一所大学里,一台3D打印机已经实现了自我复制。

  尽管如此,制造商还是必须要小心应对这个领域里新出现的巨大挑战。其中一项是:由于叠加式制造是根据物件的数字模型从事生产的,企业的知识产权更容易遭到窃取──这就跟当初轻易复制的音乐和电影动摇了娱乐业如出一辙。

  新机器制造打破传统

  虽然有些运动鞋的材料和外观看上去充满了高科技元素,但是差不多所有的鞋仍然是在大量使用人工的生产线上制造的。工人们在大型设施里一个挨一个坐着,切割材料、把鞋子的各个部件缝制、粘合在一起。然而,从去年开始,耐克开始以一种全新的方式生产飞织运动鞋。

  耐克公司的工程师们把过去用于生产毛衣的机器改造成了一台制鞋装置,它可以在一个茧状组件里织成鞋子的整个上部,然后再与鞋舌和鞋底拼接。鞋子在进行缝合的时候,专用软件会指示机器更换使用的材料──这里或那里要多用点涤纶线──以便在需要的地方增加鞋子的强度或弹性。

  更重要的是,公司在进行这些改进的时候并没有增加成本。这项技术让耐克制造的鞋只有几个而不是几十个部件,材料浪费减少了80%。飞织运动鞋是世界上第一件使用叠加式制造方式大批量生产的消费品,欧特克公司战略创新主任、与耐克合作开发飞织运动鞋项目的莫里斯康蒂(MauriceConti)说,这是一个极其重大的进步,至少是因为,一旦你开始以这种方式做事,它明显地从经营的算式中减去了大量劳动力成本因子。

  这件事蕴含的意义既明显又深远:似乎突然之间,在低收入国家生产鞋子的理由开始消失,把机器部署在离顾客更近的地方的优势──部分原因是为了更快地交货──开始显得更加突出。阿迪达斯公司(AdidasAG)已经在它的家乡德国生产一款名为Primeknit的鞋子了。

  去年,波士顿咨询公司(BostonConsultingGroup)公布的一个报告预测,到2020年,美国在中国制造的出口产品可能最多会有30%改在国内生产。奥巴马总统二月在他的国情咨文(StateoftheUnion)中对这样的前景表示赞同,他说人称3D打印的这项大受欢迎的叠加式制造技术有可能彻底改变我们制造一切产品的方式。

  去年奥巴马总统提议向他的2013财年预算追加10亿美元,在美国各地建立一个由15家制造业创新研究所组成的网络。其中一家已经在俄亥俄州的扬斯敦市(Youngstown,Ohio)建好并投入运营,这里正是布鲁斯斯普林斯廷(BruceSpringsteen)以歌声讲述钢铁工业兴衰的地方。另外三个研究所正在能源部(DepartmentofEnergy)和国防部(theDefenseDepartment)的监管下进行紧锣密鼓的建设。其它研究所尚待国会批准建设经费。

  3D打印是时代发展的重要标志

  不过,制造业的长足发展是否会造就美国制造业就业情况的复苏,对于这一点人们众说纷纭。根据美国劳工统计局(theBureauofLaborStatistics)的数字,制造业就业人数最高的时候是1979年的1,950万左右,而今天的就业总人数大约为1,200万人。(经济学家把最近美国制造业就业人数的小幅上升归因于经济周期中的反弹,他们还没有发现证据表明就业状况的反弹与制造业的先进技术或海外工作职位的回迁有关。)

  几乎可以确定的是,新工业革命不会以过去那种方式创造工作机会──建设可以雇佣数千人的大型工厂。真正的机会在于高度专业化、高度先进的微型工厂的发展,以及建立大批小型创业型企业,以新的方式生产旧有产品、制造新产品及个性化订单产品。时代发展的一个重要标志是:美国最大的3D打印机制造商3DSystems公司去年推出了一款售价1,299美元(约合人民币8,028元)的灵巧的自动化按键式机型──使其进入了最小的企业和家庭用户有能力购买的范围。开放源代码的RepRap项目中驱动打印机的软件套件价格低至400美元(约合人民币2,472元)。

  专家们设想自行车店未来会根据顾客要求打印个性化车架并组装自行车;定制商店或网站会推出一次性或个性化设计的珠宝首饰;精密复杂产品的加工厂可以制造出各式各样的高端产品。已经有一家隶属于3DSystems公司、名为BespokeProducts的企业在生产假肢了。另一家名为OrganovoHoldingsInc.的企业在使用3D打印技术制造医学实验室用的人体组织。在最近举办的一次会议上,该公司展示了一块用打印机制造出来的生肉。随着时间的推移,这种被某些人称为制造业民主化(democratizationofmanufacturing)的东西会加速发展,终有一天它意味着你在本地的汽车经销商,或者甚至你的邻居(或者你自己)能够为你的汽车打印出替换零件,或者为你随身携带的保温杯做一个大小刚好合适的杯托。

  工厂制造产品的新方法

  叠加式制造带来的变化可能与工厂建在某个人的车库里一样引人注目。叠加式制造使人有可能创造出用传统生产方式无法做到的设计或构造。传统的生产方式是:磨制(雕琢固体块状材料)和铸造(浇铸可以冷却成型的液体材料)。这两种方式由于规模化生产而得到极大改进,因为质量明显提升,而成本因产量的增加却降低了。大批量生产某种产品也意味着扔掉有缺陷的次品并不那么痛苦了。

  但是叠加式制造可以让人不借助生产线就能制造有多个部分及可移动零部件的东西。由于这个过程完全是由电脑控制的,按照精确的数字指令工作,所以制造出来的第一件产品和最后一件质量都是一样的好。生产一个零件的增量成本严格地说成为了时间和材料的应变量。

  这一切意味着制造商可以放眼审视,以寻找启发灵感。通用电气公司的设计师和工程师已经开始探查古代的器物和史前鸟类的骨骼,重新深入研究局部解剖学,以期找到新设计形式的灵感。他们的想法是:几百年来受旧的生产方法所限,他们的前辈们可能仅仅因为找不到切实可行的磨制和铸造方式,就将加工创新性结构的想法丢弃了可是过去不切实际的东西今天也许是非常可行的。

  另外还有一个大变化在发生,它不是那么明显但可能对制造业产生巨大影响。3D打印机的兴起碰巧与物质世界因3D扫描仪的使用而发生的数字化不谋而合,二维照片越来越多地可以利用软件进行拼接,制造出任何3D版的由原子构成的对应产品。

  这会影响到与制造商共事并参与到创新过程中的每一个人:尤其是设计师、工程师、材料学专家、机器制造者和物资供应经理。一个型号的产品如果存储在电脑里,协作起来就容易得多,因为很多只数字化的手可以同时在电脑上干活。

  这当中一个不为人知的大事是制造业数字化把一切都压缩了──从产品的早期设计到最后的组装,创办了制作3D建模软件的杰魔公司(Geomagic)、目前在3DSystems公司负责战略的傅苹(PingFu)说,大家现在可以同时共事,软件使之成为可能,相比所有活动都是在不同筒仓里开展的那个时候,你得到的结果要好得多。

  尽管如此,这种新环境让制造商面临着新的巨大挑战,因为各种物质的数字档案大量出现在Thingiverse和Physibles这样的网站上,制造说明也出现在网络上。

  关于这个话题我给制造业团体作过很多报告,人们在问答环节通常都很沉默,在通用电气公司的研究中心管理着450名研究材料、能源战略和加工技术的工程师和科学家的克里斯蒂娜福斯托斯(ChristineFurstoss)说,但在演讲结束后,他们私下跑来找我,想跟我谈谈他们是多么害怕。人们窥见到了这场革命会如何改变他们所在行业的游戏规则,但他们却不知道该如何去应对。

  新工业革命前方的路

  要想获知新工业革命如何才能大规模展开,可以看看通用电气公司。它的足迹遍及先进制造业领域。通用电气高调参与了联邦政府推动叠加式制造的努力以及高校针对这一主题的计划。它的合作伙伴包括麻省理工学院(theMassachusettsInstituteofTechnology)、亚马逊公司(Amazon.com)的网络服务部门以及美国国防高级研究计划局(theDefenseAdvancedResearchProjectsAgency),这些机构正在与通用电气合作研发一个新的产品设计和开发的众包平台。

  通用电气内部自身也是紧紧抓住这项技术。比如,公司在叠加式制造上下了大赌注,将其作为制造重量更轻、成本更低、设计更复杂的发动机零件的方式。去年,通用电气收购了美国最大的叠加式制造商之一的莫里斯技术公司(MorrisTechnologies),并计划利用该公司制造下一代LEAP喷气发动机的燃油喷嘴。(莫里斯家族有着悠久的工业血统:它曾经为莱特兄弟(WrightBrothers)的自行车店供应钢管。)

  这种新的喷嘴将用3-D打印的方式制作成一个单体零件,而不是由18个部件组装而成,它的耐久性可以达到过去的五倍。通用电气也在使用自己的3-D金属打印机,尽可能多地在LEAP和GE9x(通用电气下一代的777发动机)的零部件上测试工艺程序。本周,通用电气计划宣布对另一家新的叠加式制造工厂进行重大投资,批量生产发动机的陶瓷挡板。

  总之,通用电气公司预计,它在今后五年时间里会在航空先进制造业领域投入35亿美元,到2020年,公司将利用叠加式制造技术每年生产十万只发动机终端零件。

  通用最富创意的举措之一就是它准备将它的三万多项专利开始向使用Quirky网站──利用众包手段评估产品创意的网站──的发明人和企业家开放。Quirky是纽约的一家工业设计企业,其创办人本?考夫曼(BenKaufman)说:这是创新的全新范例。

  从本月开始,发明者这类人就可以从Quirky网站上张贴出来的首批200项通用电气公司的专利中进行筛选,到年底预计会有1,000多项专利对外开放。那些认为自己可以利用这些技术而又不侵害通用电气公司自身使用权的人可以点击按钮,开始获得使用专利的授权流程,将其应用于他们梦想中的任何创意。

  通用电气公司的举措让人看到,在这个新时代,数据可以如何得到利用。到访通用电气位于斯内克内塔迪的电池工厂(毗邻托马斯爱迪生(ThomasEdison)的机械厂所在的一块地)之后可以带走的东西之一就是工厂生成的大量数据──这些信息可以让工厂的工程师继续改进生产流程,在问题变得严重之前进行阻击。

  通用电气可以追踪一个产品的整个谱系,从沙土容器、盐罐到一组配套国家电网的高科技电池。这些数据不仅可以提升质量控制的水平──在任何环节如果出现缺陷,通用电气都可以将问题追溯到它的最初根源──而且最终可以赋予通用电气一个根本无法复制的强大竞争利器。

  位于斯克内克塔迪市的这家工厂座落在莫霍克河(theMohawkRiver)的一个山谷里。事实上,工厂的网络化程度之高,它轻易就可以被人看成一台单独的机器,而并不是机器的集结地。当然,由于自动化程度非常高,它不需要太多人力的帮助。通用电气在斯克内克塔迪的厂区曾经雇佣了太多的员工,以至于它都有自己的邮政编码(12345)。然而现在,即使工厂实现满负荷生产──通用电气公司预计,到2020年这家工厂的年销售量会超过十亿美元──而这家生产电池的窗口工厂雇佣的员工也不会超过450人。

  希斯洛普承认自己最近在一次野外露营期间使用了iPad来巡视工厂。他是以家长的焦急口气描述自己在那个狂风暴雨之夜的经历的。然而在呼啸的狂风和电闪雷鸣中,这一技术意味着他可以在城市的另一端密切注视发生的一切。尽管工厂在经受雨打风吹,但是他说他感觉很放心。

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