復(fù)合材料制造商習(xí)慣于處理設(shè)備、材料和工藝的持續(xù)改進(jìn)，這些改進(jìn)會影響他們的運(yùn)營。但他們可能還沒有為工業(yè)4.0做好準(zhǔn)備。工業(yè)4.0也被稱為第四次工業(yè)革命，它預(yù)示著一個前所未有的技術(shù)創(chuàng)新時(shí)代，將改變我們所知道的制造業(yè)。
德勤咨詢公司（DeloitteConsulting）負(fù)責(zé)人布萊恩?米克（BrianMeeker）解釋說：“工業(yè)4.0既是一套流程，也是一種技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)整個企業(yè)的數(shù)字協(xié)作。它是跨行業(yè)制造業(yè)的未來，并且涵蓋了廣泛的數(shù)字功能?！?/p>
這些能力包括捕捉和傳輸信息的傳感器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計(jì)算、機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能（AI）等。通過協(xié)同工作，這些數(shù)字技術(shù)使公司能夠自動化更多的設(shè)備和流程，并收集、分析和建模數(shù)據(jù)，從而做出更好的業(yè)務(wù)決策。
“目標(biāo)是創(chuàng)建智能工廠，在需要時(shí)能夠生產(chǎn)更多的零件，并在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下縮短上市時(shí)間。”專門從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件的Plataine首席營銷官AmirBenAssa說。
自動化的數(shù)字復(fù)合材料生產(chǎn)線
新的數(shù)字復(fù)合材料生產(chǎn)線（DCML）已經(jīng)開發(fā)出來，目前正由SABIC和Airborne進(jìn)行試點(diǎn)測試，它展示了工業(yè)4.0的變革性質(zhì)。DCML是一個全自動化的制造系統(tǒng)，可以批量生產(chǎn)輕質(zhì)、高模量和低翹曲層壓板，定制設(shè)計(jì)以達(dá)到所需的厚度、尺寸和性能。DCML只需60秒就能制造出四種熱塑性復(fù)合材料層壓板。
DCML采用SABIC的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性條帶，采用高壓纖維浸漬技術(shù)HPFIT?。SABIC高級復(fù)合材料全球業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人吉諾·弗蘭卡托（GinoFrancato）解釋說：“我們需要兩種寬度不同的條帶，一種用于零方向，另一種用于90度方向。”兩個送帶器將條帶放在托盤上，托盤在第一個送帶器和第二個送帶器之間循環(huán)移動，然后再回到第一個送帶器，直到達(dá)到所需的層數(shù)。
然后，托盤移動到下一站，在那里各層被點(diǎn)焊在一起。機(jī)器人將四個點(diǎn)焊堆垛轉(zhuǎn)移到加固區(qū)域，在該區(qū)域需要60秒的熱量和壓力才能制成完全加固的層壓板。修剪和包裝后，工人將裝有層壓板的盒子拿起來存放。
在這個過程的每一個階段，系統(tǒng)本身——沒有人的幫助——都會檢查條帶、堆棧和層壓板的質(zhì)量，以查找缺陷。如果識別出有缺陷的條帶段，系統(tǒng)可以快速移除并用一段完好的條帶替換，以保持線路運(yùn)行。如果層壓板有缺陷，則系統(tǒng)可以檢測到缺陷并也將其丟棄。
在滿負(fù)荷下，DCML每年可生產(chǎn)多達(dá)150萬個零件。這應(yīng)該會吸引消費(fèi)電子行業(yè)的新客戶，他們被復(fù)合材料的重量輕、可持續(xù)性和外觀所吸引，但由于大規(guī)模生產(chǎn)中質(zhì)量的一致性不足，他們一直在謹(jǐn)慎使用復(fù)合材料。
SABIC和Airborne將繼續(xù)升級DCML。一種改進(jìn)可能是增加機(jī)器學(xué)習(xí)功能，以使該過程更加靈活且更具成本效益。
數(shù)字雙胞胎
由于數(shù)字雙胞胎是基于物理世界的對象、過程或系統(tǒng)的精確數(shù)字復(fù)制品，因此基于AI的此類決策是可能的。在復(fù)合材料生產(chǎn)中，工程師可以使用數(shù)字雙胞胎來測試驅(qū)動其設(shè)計(jì)并模擬它們在各種條件下在現(xiàn)實(shí)世界中的工作方式。在制造業(yè)中，運(yùn)營商將能夠查看數(shù)字孿生，以確定工程變更或新工藝將如何影響生產(chǎn)線?！叭绻矣心芰M(jìn)行完全模擬的車間并更改變量，那么我可以快速運(yùn)行模擬，這樣我就知道問題將要發(fā)生在哪里?！泵卓藸枺∕eeker）說。
一旦一個產(chǎn)品被制造出來，它收集的數(shù)據(jù)就可以傳遞給它的數(shù)字孿生兄弟，幫助所有者跟蹤它的性能，并確定一個產(chǎn)品是否需要維護(hù)或有一個部件可能出現(xiàn)故障。
創(chuàng)建真正精確的數(shù)字雙胞胎可能很困難。米克爾解釋說：“要做到這一點(diǎn)，你必須在設(shè)計(jì)界和制造界擁有全系列的產(chǎn)品數(shù)據(jù)；你必須讓一切都以數(shù)字形式表現(xiàn)出來?！彼嘈?，更多的設(shè)備制造商將為他們的產(chǎn)品創(chuàng)建數(shù)字模型，并在客戶意識到產(chǎn)品價(jià)值時(shí)向他們提供。
人工智能
Plataine提供智能數(shù)字助理，使用人工智能幫助復(fù)合材料制造公司提高產(chǎn)量和效率?！八鼜挠?jì)劃和安排各種工單和工作開始，并繼續(xù)密切監(jiān)測制造過程的進(jìn)展?！北景⑺_（Ben-Assa）說，“人工智能可以提供警報(bào)、預(yù)測和建議，這在復(fù)雜動態(tài)的復(fù)合材料制造環(huán)境中非常有用?！?/p>
例如，一個工人進(jìn)入一個冷庫，為一個工單選擇預(yù)浸料材料，他只能基于有限的因素作出決定。另一方面，一個基于人工智能的系統(tǒng)可以考慮數(shù)百個數(shù)據(jù)點(diǎn)，包括材料的大小、剩余的保質(zhì)期、剩余材料的數(shù)量，以及公司在那個班次（一天或一周）內(nèi)的其他工作。
本阿薩解釋說：“工智能是在后臺進(jìn)行數(shù)千次計(jì)算，使用機(jī)器學(xué)習(xí)和其他方法來運(yùn)行大量的歷史數(shù)據(jù)，然后做出預(yù)測，以幫助你得到最優(yōu)的決策?！?/p>
制造商利用這些新技術(shù)節(jié)省時(shí)間和材料。他繼續(xù)說：“我們所說的準(zhǔn)時(shí)交貨率增加了5%到7%，僅僅是因?yàn)槟銢]有這些延誤。由于制造商不再使用過期的材料，所以返工的數(shù)量大大減少；軟件會提醒他們，并推薦哪些材料用于哪些工作。所以你第一次就把事情做對了?！?/p>
人工智能可以提高許多制造領(lǐng)域的效率。如果產(chǎn)品中存在質(zhì)量問題，智能系統(tǒng)可以將工廠的數(shù)千個數(shù)據(jù)點(diǎn)作為因素，以確定根本原因并建議解決方案。
云計(jì)算
Plataine集成了其軟件解決方案以在GoogleCloud上運(yùn)行，從而使其能夠?qū)oogleGlassEnterpriseEdition用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）。在Plataine的實(shí)施中，戴上這些智能眼鏡的工人可以在鏡頭的一側(cè)看到他們需要做的工作的圖像，并聽到AR系統(tǒng)的操作指導(dǎo)。
本阿薩說：“戴著智能眼鏡的操作員無需手持任何東西，因?yàn)樗麄儾恍枰兆〖?，平板電腦或筆記本電腦之類的東西。”工人可以詢問AR系統(tǒng)他們需要填寫哪些訂單，可以在哪里獲得所需的材料以及如何執(zhí)行上層作業(yè)或其他工作。這樣可以節(jié)省工人的時(shí)間，因?yàn)樗麄儫o需查找材料，獲得清晰的說明，也不必使用紙，電子電子表格或其他系統(tǒng)來報(bào)告所做的一切。
本阿薩說，工作人員將20％的時(shí)間用于記錄他們所做的工作和所使用的材料。在此特定示例中，AI和GoogleGlass的另一個優(yōu)勢在于，它減輕了報(bào)告員在工廠現(xiàn)場的負(fù)擔(dān)。您可以簡單地說：“我確認(rèn)執(zhí)行此操作”，并且它會在系統(tǒng)中更新。
云計(jì)算和存儲使諸如此類的AI應(yīng)用成為可能。工業(yè)4.0和云計(jì)算的一大優(yōu)勢在于，它允許各種規(guī)模的工廠非常快速地部署，而無需任何安裝或生產(chǎn)停機(jī)。他們可以開始跟蹤其資產(chǎn)、零件和材料，收集大量信息，而不必?fù)?dān)心將其存儲在何處。除此之外，使用者還可以獲得所有這些人工智能算法的計(jì)算能力，無論我們是在討論機(jī)器學(xué)習(xí)還是其他需要巨大計(jì)算能力的工具。
云計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于，它使公司能夠靈活，靈活地僅在需要的地方便宜地使用這些資源。此外，如果他們希望擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，那么一旦他們進(jìn)入云計(jì)算就更容易了。
優(yōu)化算法
隨著計(jì)算能力的提高，一些公司正在利用數(shù)學(xué)來幫助復(fù)合材料制造商克服生產(chǎn)挑戰(zhàn)。
Rafinex首席執(zhí)行官安德雷威爾?姆斯（AndréWilmes）解釋說：“我們的工作是將客戶的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為可以用數(shù)學(xué)方法解決的問題陳述。我們的高端算法直接針對其特定的痛點(diǎn)，為用戶提供他們可以采取行動的答案，而不是用原始的模擬結(jié)果使其超載?！碧魬?zhàn)的范圍可以從減少生成零件的時(shí)間到提高工具的精度。
Rafinex的服務(wù)包括隨機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化（形狀生成）、隨機(jī)變量風(fēng)險(xiǎn)建模、復(fù)合纖維方向優(yōu)化和早期設(shè)計(jì)可制造性分析。隨機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化使制造商能夠?yàn)槠?、航空航天和一些體育運(yùn)動等高性能領(lǐng)域使用的復(fù)合材料生產(chǎn)更安全、更穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。隨機(jī)過程考慮了設(shè)計(jì)中荷載方向和材料特性的實(shí)際變化。然后，它在數(shù)千個模擬中同時(shí)和幾乎同時(shí)測試它們。其結(jié)果是針對客戶需求進(jìn)行優(yōu)化的單一設(shè)計(jì)，同時(shí)由于風(fēng)險(xiǎn)量化，在最佳和最壞情況下都保持安全。
Rafinex的隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析算法使用相同的數(shù)學(xué)方法，在一個單一的模擬步驟中，深入了解概念階段設(shè)計(jì)在所有實(shí)際操作條件下的全局性能。
公司有選擇地使用人工智能來加速這些模擬和優(yōu)化。隨著模擬的進(jìn)行，中間數(shù)據(jù)可以用來加速算法，使其在幾個小時(shí)內(nèi)完成，而不會失去準(zhǔn)確性，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量?！斑@使得我們可以在優(yōu)化中掃描更廣闊的設(shè)計(jì)空間?！币郧?，對任何現(xiàn)實(shí)的工業(yè)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行隨機(jī)拓?fù)浞治龆夹枰?到4周的時(shí)間。
未來，Rafinex將與Psylotech公司合作，開發(fā)用于粘接接頭和結(jié)構(gòu)粘合劑的粘彈性模型AI。這些算法將為復(fù)合材料中的粘彈性損傷積累提供新的材料模型，包括速率和溫度依賴性，同時(shí)還將使獲得材料參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)室測試減少10倍。
加入革命
擁有如此眾多的新技術(shù)和多種使用方式，復(fù)合材料制造商可能不確定從何處著手進(jìn)入工業(yè)4.0。
“數(shù)字和工業(yè)4.0面臨的挑戰(zhàn)之一是可用的技術(shù)數(shù)量眾多，以及如何理解它們。”米克爾說。他建議制造商找到知識淵博的顧問，他們可以幫助他們確定哪種技術(shù)從長遠(yuǎn)來看是最佳的。
制造商還可能擔(dān)心他們將不得不淘汰舊設(shè)備并購買新設(shè)備以利用工業(yè)4.0技術(shù)。事實(shí)并非如此?！澳梢詫⑦m用于工具、零件和材料的改造，傳感器應(yīng)用到其中。”本阿薩說。
他建議公司首先確定一個特定的痛點(diǎn)，然后找到可以提供價(jià)值的技術(shù)解決方案。一旦獲得勝利，他們就可以將其作為商業(yè)案例進(jìn)行介紹，以鼓勵管理層對技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的投資。
制造商很快也會有另一種選擇。包括來自行業(yè)、政府、研究實(shí)驗(yàn)室和其他組織的領(lǐng)導(dǎo)人在內(nèi)的智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟（SMLC）一直致力于創(chuàng)建共享的基礎(chǔ)架構(gòu)，該基礎(chǔ)架構(gòu)包含使用、管理和建模數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)得起且可靠的平臺、應(yīng)用程序和工具。每個人都可以訪問位于云中的這個市場。它將提供廠商或公司已經(jīng)開發(fā)并愿意共享的成熟解決方案。
例如，想要提高生產(chǎn)線上產(chǎn)量的復(fù)合材料制造商，可以去市場并輸入有關(guān)其使用的材料和工藝的信息。SMLC首席執(zhí)行官丹尼斯?斯溫克（DeniseSwink）解釋說：“我們將推出一系列的應(yīng)用程序和工具包，無論成本高低，它們都可以用來集成現(xiàn)有的應(yīng)用程序和工具包。”
由美國能源部(DOE)資助的位于加州大學(xué)洛杉磯分校的清潔能源智能制造創(chuàng)新研究所(CESMII)正開始創(chuàng)建這一市場。今年，CESMII將呼吁愿意為基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)應(yīng)用程序的公司，美國能源部將支付它們50%的開發(fā)成本。符合條件的開發(fā)者必須同意以合理的價(jià)格在市場上提供他們的應(yīng)用程序。
當(dāng)公司可以很容易地使用這些工具時(shí)，它們將認(rèn)識到許多好處?！盎貓?bào)是巨大的，在性能、能量、生產(chǎn)力和安全性方面?！彼箿乜苏f。
無論制造商如何采用工業(yè)4.0，他們都不應(yīng)等待太久才能加入這場革命。這種趨勢比我們預(yù)期的要早得多。在這個市場上競爭非常激烈，人們了解到他們不能讓自己落后。
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