智能製造從設計開始

如昨日三思派《智能製造的本質》（點擊標題跳轉）所述，數字技術將會在深層次上改變現代製造業的各個方面：從產品的設計製造，到生產工藝和工廠操作的管理執行，到一體化的產業供應鏈，一直到產品離開工廠被用戶使用。本文內容節選自美國信息技術與創新基金會《智能製造決策者指南》報告。上海市科學學研究所課題組翻譯了報告全文，感興趣的讀者可向三思派索取（在文末留言或掃描文末二維碼添加三思君為好友）。本文標題為三思派編輯添加。

計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助工程（CAE）的建模和模擬技術隨著計算速度的不斷加快，包括高性能計算（HPC）系統的發展，開始逐漸改變產品的設計過程。CAD使用幾何參數創建電腦模型，CAE則使用CAD生成的數據來控制自動化的機器裝備。CAD、CAE和CAM（計算機輔助製造）系統已經在近些年有了長足的發展，變得更廉價、更強大、更普遍、更友好。

例如在飛機設計方面，數字模擬使設計人員可以在風洞實驗之前就對許多關鍵的飛機組件——包括機翼和機身——進行改進設計和模擬操作。事實上，計算建模允許航空設計師得以從容應付「虛擬化環境尺度下多場耦合流體動力學」等複雜問題的計算。在減少新飛機所需的風洞試驗時長的努力中，這種數字化技術的貢獻佔到了50%。

同樣，通用電氣（GE）利用HPC驅動的建模和模擬工具取消了噴氣發動機實體組件技術，轉為對發動機的各個獨立組件（壓縮機、燃燒室、渦輪槳葉等）做全建模分析。GE估計數字設計工具的使用使其新噴氣發動機的開發時間縮短了半年，並且發現每減少1%的燃料消耗就能使航空運營商每年節省20億美元的成本。

此外，固特異（Goodyear）公司也使用CAD工具將其設計一款新輪胎的時間從三年縮短到一年以內，並且將公司研發預算中輪胎成型和測試費用的比例從40%降低到了15%。

中小型製造企業同樣能夠從數字化的生產-研發工具中獲益，主要是由於越來越多的雲端（減少內部信息通信基礎建設）和應用許可的租賃機制（比以往那種昂貴的永久許可模式節約早期支出）等數字工具（包括作為硬體支撐的計算設備）越來越普遍。

例如Zipp Speed Weaponry公司是一家位於美國印第安納州的主要生產高性能腳踏車配件（例如輪轂和車胎）的小型製造商，也是美國目前僅存的一家高性能腳踏車配件廠。該公司裝備了HPC並用虛擬模擬軟體協助設計賽車輪胎，這一方法使得他們能夠更好地計算流體動力學問題，並成功解決了湍流的影響。而以往如果不使用風洞實驗，這個問題是無法解決的。

這一技術也使得該公司在全球競爭中保住了獨特的市場空間。在此基礎上設計出的空氣動力輪胎於2010年上市，並在兩年內使公司的全球收入翻倍，還在印第安納州產生了120個新的就業機會。

數字建模和模擬工具的這些令人形象深刻的應用案例也只是剛剛開始。今天，基於計算機的生成設計工具允許產品設計師設計出以往難以想象的產品形狀、結構和材料屬性。生成設計技術能夠讓設計師告訴軟體他所想要的產品形狀、相關限定條件以及結構和材料特性；然後計算機將給出比設計師設想的更高效、完善、結實、輕巧和耐用的方案。

例如Autodesk公司的CAD軟體已經流行了數十年，但是該公司現在正在開發更多的數據驅動方法，用一種新的演算法協議使設計師能夠基於一張材料和性能需求清單來使用高精度的增材製造（如3D列印）方式管理設計方案。下圖展示了生成設計的飛機機艙部件，一種通過生成設計然後3D列印成型的仿生隔艙。

部件上使用的先進材料也比傳統設計減少了將近50%的重量（同時強度也得到了大幅提升）。如果全部使用這種隔艙，一架空客A320的重量能夠減輕高達1100磅的重量。同時由於每減少2.2磅的自重就能夠節省每年233英鎊的燃料消耗，一架應用新型隔艙的飛機每年能夠減少166噸二氧化碳的排放。如果在一家航空公司的所有A320上都是用這種新的設計方法，每年可以少排放多達46500噸二氧化碳，相當於96000輛大客車停駛一年。

圖 生成設計技術構建的概念飛機機艙部件

生成設計工具，加上增材製造等新的生產技術，同時拓寬了設計者和製造者的想象空間。《華爾街日報》的John Koten表示，「GE的設計師和工程師已經開始對古代文物和史前鳥類化石重新進行拓撲研究，以尋找設計的靈感。他們設想：幾個世紀前的前輩們可能因為當時銑削或鑄造等傳統手段的限制而不得不放棄一些創新的結構。」

簡單來說，信息技術的應用正在改變產品的設計過程，加快產品研發的速度，節約資金，給顧客提供優質產品，甚至可以成為製造商競爭優勢的來源。

Stephen J. Ezell 是美國信息技術與創新基金會資深分析師，從事科技、研發、貿易、製造業等方面的政策研究，與該基金會的創始人和主席 Robert D. Atkinson 合著有《創新經濟學：全球優勢競爭》。

該報告《智能製造決策者指南》（A Policymaker』s Guide to Smart Manufacturing）由美國信息技術與創新基金會（ITIF）於2016年11月30日發布，由上海市科學學研究所產業創新研究室助理研究員趙越博士，助理研究員沈應龍博士，副主任、副研究員庄珺博士，實習生戴子姍編譯。文章觀點不代表主辦機構立場。

◆ ◆ ◆