工業4.0及其對模具制造業的影響

張　穎（北京城市學院，北京　101309）

工業4.0及其對模具制造業的影響

張穎
（北京城市學院，北京101309）

本文結合工業4.0的特點，描述了智能制造和智能工廠的組成結構和工作原理。同時結合模具制造業，探討了智能制造在其中的一些具體應用，希望能夠對我國模具制造業在工業4.0背景下，更好地完善智能制造的內涵提供一些借鑒。

工業4.0；智能制造；模具制造業；3D打印技術

1　工業4.0與智能制造

工業4.0的核心理念是信息系統和物理系統的深度融合，從而產生具有“人-機”、“機-機”相互通信能力的信息物理融合系統（CPS）。CPS將是一個包含計算、網絡和物理世界的復雜系統，通過計算機技術、通信技術和控制技術的有機融合與深度協作，來實現信息世界與物理世界的緊密融合。結合制造業的發展，工業4.0提出了智能制造的概念，它是基于現代傳感技術、網絡技術、自動化技術以及人工智能技術，通過感知、人機交互、決策、執行和反饋的方式，來實現產品設計過程、制造過程和企業管理及服務過程的智能化，是信息技術與制造技術的深度融合與集成。智能制造是一種可持續的制造模式，它有助于優化產品的設計和制造過程，大幅度減少生產資料和能源的消耗以及各種廢棄物的產生，能夠同時實現循環再生和減少污染。實現智能制造的智能工廠將由物理系統和虛擬信息系統組成，被稱為信息物理生產系統（CPPS），它是未來制造業的重要組成單位。

2　工業4.0對模具制造業的影響

2.13D打印技術的使用

3D打印制造技術作為工業4.0生產模式的突破口，具有分布式制造的重要特征。3D打印制造技術是根據計算機的三維設計和計算，通過軟件程序和數控系統將特定功能材料逐層堆積固化的快速成型制造技術。

傳統的模具制造技術存在其自身局限，比如生產成本高，一般適用于與之對應的注塑件或沖壓件的大規模生產。而且模具的開發技術難度大，特別是對于外觀復雜的工業產品或零件而言，其外觀越復雜，模具的研發費用越高，開模周期越長，加工成本越高。

3D打印技術可用來加工外觀復雜的產品，同時縮短產品研發周期。對于那些生產成本較高的新模具，可以先通過3D打印的方式得到少量產品，待其投放市場后觀察動態，再制造更多的模具來進行大批量生產，這樣可以避免模具開發前期的投入過高對企業造成的潛在風險；3D打印技術可以精確地制造出零件中的任意結構細節，這些組成整套模具的零件被3D打印技術制造出來后，可以有效地知道模具的裝配工藝，避免模具在機構和工藝上的設計失誤；在高端精密模具中，隨形冷卻水道的設計和應用是很廣泛的，然而這里無法使用傳統的機械加工技術來完成，但3D打印技術能夠被用來制造此類復雜的模具，其效果可使模具在需要的部分快速降溫，縮短注塑件的成型周期，從而提高生產效率。

2.2模具的智能制造

根據工業4.0的特點，模具制造業可以通過運用人工智能、物聯網、大數據、云計算等手段改造生產流程、管理系統和商業模式，從而緩解該行業的生產成本高、開發周期短的壓力。營造智能制造的生產環境，可以改變模具制造業的生產模式，提高產品質量和生產效率。例如日本最大的模具標準零件供應商——米思米（MISUMI）公司，通過使用附著在零件上的RFID電子標簽來自動識別相應的作業和制造流程，并通過這些信息，自動重組、配置最適合的生產單元、生產線及工廠，從而不斷完善多品種、小批量的生產模式，使得更加靈活機動的多品種、多需求生產和訂單管理成為可能。該公司的獨特業務模式，構筑了其全球迅速交貨體制，實現了商業創新和流程、生產方式的再造；例如某模具制造公司通過對大規模生產的注塑件或沖壓件的產品的三維形態掃描和具體尺寸的大數據分析，將產品的尺寸缺陷反饋給模具制造設備，從而發現了用于規模生產的模具的局部缺陷。然后，該公司便可通過模具的三維CAD數字模型的改進，指導3D打印設備，對已使用的模具進行缺陷修復（局部三維再加工和局部修正）或者設計、制造新的模具來替代。整個測量、分析系統的數字化以及產品測量設備與模具制造設備的互聯，使得模具開發和改進變得更加智能化；例如通過分析注塑件或沖壓件的產品訂單、庫存情況和半成品信息，智能化的模具制造工廠能夠合理地分析出目前生產線的產能狀況，并對是否需要制造更多的模具來支持生產線的問題作出判斷。

2.3模具的云制造

隨著制造業逐漸進入大數據時代，智能制造需要高性能的計算機和網絡設備來實現互聯，這樣通過上游的計算機安裝SCADA數據采集和監控系統，可以將數據發送給云端進行處理、存儲和分配，并在需要的時候從云端接受指令。如圖1所示的是一群機器人的云端控制模型。同樣的，通過上游計算機將模具制造的任務信息發送到云端，并將模具各個部分零件的三維制造信息合理地分配給相互連接的多臺3D打印設備，從而分布式地完成整個模具的3D打印制造任務。這樣就更加有效地實現了模具的快速開發，提高了模具的生產效率。

圖1　云端控制與機器人互聯模型

3　結束語

工業4.0所倡導的信息系統與物流系統正在深度融合中，而智能制造和智能工廠的概念也必將導致整個工業機構、經濟結構和社會結構從垂直向扁平的分布式方向轉變。模具制造業作為制造業的重要組成部分，在加入智能制造的概念后，必然能夠實現信息和物質的智能互聯，更大程度地降低產品成本，提高勞動生產率，這需要我們每一個人的智慧和努力。

［1］張曙.工業4.0和智能制造［J］.機械設計與制造工程，2014（08）：1-5.

［2］張曙.智能制造與未來制造［J］.現代制造，2014（01）：24-25.

［3］方曉霞，楊丹輝，李曉華.日本應對工業4.0：競爭優勢重構與產業政策的角色［J］.經濟管理，2015（11）：20-31.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.018