制造業中的顛覆性技術

（孟昭青 編譯）

編者按

本文通過對謝菲爾德大學工程學院工程研究與創新系主任約翰?海科克教授和密歇根州制造技術中心質量項目經理安迪?尼科爾斯（A ndy Nichols）的訪談，介紹了制造業中先進的創新技術，以及如何將其用于工業以及應對未來的挑戰。文中還介紹了隨著先進制造業的興起，行業可能遭受的網絡安全風險。文章原載于2019年7月的《質量世界》。作者艾麗西亞?迪馬斯（Alicia Dimas）和迪娜?帕特爾（Dina Patel）是英國特許質量協會的內容主管。

謝菲爾德大學的先進制造研究

謝菲爾德大學是一所被英國高等教育統計局（HESA）評為在工程研究方面收入和投資最多的英國大學。2017～2018年，謝菲爾德大學與世界各地許多組織合作，通過工程研究創造了1.24億英鎊的收入。謝菲爾德大學的工程研究由先進制造研究中心（AMRC）及工程學院負責，研究范圍涵蓋制造業、航空航天、汽車及能源等行業。

謝菲爾德大學最近宣布成立了三個耗資數百萬英鎊的新研究中心，旨在提升該校作為先進工程和工業數字技術中心的聲譽。這三個中心分別是羅伊斯轉化中心（RTC）、檢驗和確認實驗室（LVV）以及民用和基礎設施集成研究中心（ICAIR），由謝菲爾德大學、歐洲區域發展基金（ERDF）和英國的研究和創新機構（UKRI）等提供資金支持。

《質量世界》采訪了謝菲爾德大學的約翰?海科克教授和理查德?弗朗斯博士，以了解這三個新的研究中心是如何為不同的行業提供產品和工藝的測試。

約翰?海科克教授是謝菲爾德大學工程學院工程研究與創新系的主任，負責制定戰略，并為該系的七個研究領域劃分優先級。他的職責還包括通過各種來源尋找融資機會。理查?弗朗斯博士是工程學院制造業研究高級業務發展經理，負責協助學術界取得進行制造業研究的資金。

《質量世界》：目前先進制造業最大的趨勢是什么？

理查德?弗朗斯：目前最大的趨勢之一是先進制造業越來越多地使用數字技術和數據，通常被稱為工業4.0或工業物聯網。制造商正在收集關于他們生產的產品和使用的工藝的數據，并創建數字化孿生體，以便建模和理解工藝，使之更有效地工作。英國政府正在通過“智能制造”計劃支持企業實施這些技術，英格蘭西北部的一個試點項目正在幫助英國企業采用其中的一些技術。

《質量世界》：與數字數據相關的挑戰有哪些？

理查德?弗朗斯：一些挑戰是了解要捕獲什么數據以及如何從數據中獲取價值。在采用數字技術方面存在一些挑戰，特別是對于中小型企業來說，它們需要了解如何將數字技術應用到自己的工作中。

先進的制造技術對企業來說并不昂貴，AMRC的“工廠2050”有一個很棒的演示項目，展示了如何將這些技術應用到傳統機器上。

《質量世界》：謝菲爾德大學的三個研究中心在著手解決什么問題？

約翰?海科克：這些中心涉及不同的領域。從廣義上講，他們將工程領域中的基礎研究進行轉化，與工業界合作解決產品或工藝中的問題，并創造新技術。RTC專注于先進的金屬工藝，瞄準航空航天和汽車行業的材料和制造挑戰。該中心還通過結合新材料和新方法來研究這些行業的輕量化解決方案，以形成工程結構和組件。例如，勞斯萊斯公司已經在輕量化和發動機零部件新材料的研發方面取得進展。

LVV是一個獨特的動力學和聲學研究及測試機構，可以重建不同測試規模的極端環境。該實驗室獨創地將一個大型（3×2米）多軸振動臺納入一個環境室。該機構由大學機械工程系的動力學研究小組領導，為包括能源、航空航天和汽車在內的一系列工業部門提供支持。LVV的靈活性使小型電子元件的測試成為可能，從而能完成諸如汽車、衛星和風力渦輪機葉片等的組件測試。這些測試將確定組件是否會失敗，并預測組件的生命周期。這不是大學里傳統的項目，因為它需要一個大型的專用空間。

ICAIR專注于建設基礎設施，包括地下基礎設施。例如，該中心從壽命和堅固性方面研究輸水管道的極端環境。ICAIR建設了一個大型游泳池尺度的設施，人們可以把水管埋在幾米深的土壤下面。然后將管道暴露在不同的外力下，進行極限測試。作為該計劃的一部分，ICAIR還在開發利用群器人沿管道移動的技術，利用聲傳感器和人工智能來檢測故障。檢測信號將被發送到地面，便于供水公司在故障蔓延到整個供水網絡之前進行修復。約克郡水務公司和塞文特倫特等公司可以在將這些技術應用于網絡之前對其進行測試。

《質量世界》：研究中心正在使用哪些其他技術？

約翰?海科克：這些中心有很多可擴展的新設備。RTC專注于增材制造，將金屬（棒料）等材料變成粉末，進而用于制造定制化金屬部件。他們也在關注諸如重復使用和再生性等問題，例如怎樣的可再生粉末形式能用于結構和工程部件的重復批量生產。

理查德?弗朗斯：目前許多用于航空航天的材料都來自傳統工藝，如鑄造和鍛造，并不是為新工藝設計的，因此確實需要開發新材料。我們在RTC有一個垂直整合的研究工廠。它使我們能夠以適當的小規模尺度創造新材料，從幾千克到幾十千克等。我們利用設備制造少量的金屬粉末，然后在新工藝（如增材制造）中進行測試。對航空公司來說，開發一種新材料的成本會很高，但RTC允許公司做一些研究和小規模的可行性測試來降低這種投資的風險。我們可以提供廣泛的增材制造技術，包括粉末床和同步送粉技術。

《質量世界》：你如何描述增材制造？

理查德?弗朗斯：增材制造或更廣為人知的3D打印，是一個許多材料逐層堆積的過程。最初是為原型開發所用，現在廣泛應用于制造業。它與傳統制造技術相比具有許多優勢，如具有更大的設計自由度以及能夠更有效地使用材料等。

《質量世界》：你在質量管理方面的背景對你目前的工作有什么幫助？

理查德?弗朗斯：我之前在質量管理方面的經驗包括在制藥行業開發測試藥物的新方法等，這些方法需要遵循《藥品生產質量管理規范》。制藥行業的“設計質量”方法與RTC采用的粉末工藝方法有一些相似之處，都是在有限的監控下處理不同的起始材料和不同的過程，從而產生不同的結果。為克服這些挑戰，實現“第一時間正確”制造是設于謝菲爾德的EPSRC未來制造中心的關鍵部分，在制造中會使用先進的粉末工藝。

《質量世界》：自2018年10月中心成立以來，你有何感悟？

約翰?海科克：我們希望確保科學和工程學的許多基礎研究與工業相結合。我們現在看到的知識交流，正發生在對這類轉化中心有相當大需求的時候。這些中心基本上處于大學的基礎研究和工業的更高技術準備水平之間的中間位置。對工業企業的好處是它們可以使用這些設施，并通過伙伴關系，加速開發它們的下一代產品。

《質量世界》：這幾個中心未來有什么計劃？

約翰?海科克：我們非常希望在知識交流、創新和轉化方面進行更多的投資。我們正與地區企業和大型跨國組織建立伙伴關系，以確保這三個中心取得成功。另一個重點是提高能源效率和清潔能源技術，包括傳統燃料和碳利用、能源儲存和核能。

理查德?弗朗斯：在工程學院，我們開展了一系列的制造研究活動。我們與全英國的研究中心合作，包括先進粉末、機器人和自動系統、電機、半導體、光子學、計量學和制藥等。我們愿意與行業伙伴合作，找出他們面臨的挑戰并提供幫助。

密歇根州制造技術中心

密歇根州制造技術中心是一家非營利性企業管理咨詢公司，為美國密歇根州的中小型制造企業提供幫助。質量項目經理安迪?尼科爾斯幫助公司貫徹國際質量標準，采用質量工具，解決問題和逐層實施過程審計，并提供質量保證和改進方面的咨詢和培訓。

《質量世界》就如何利用質量管理幫助制造商改進過程，以及如何發揮質量改進與先進制造相結合的優勢，對尼科爾斯進行了采訪。

《質量世界》：在密歇根州，你們如何利用質量管理幫助中小型制造企業？

安迪?尼科爾斯：許多公司信息不是很豐富，他們不太了解過程質量以及如何獲得一致的結果。我們使用質量管理來生成關于為什么過程不能按計劃工作的信息。然后，我們就可以為他們提供工具來糾正問題并做出改進。

《質量世界》：當人們看到這些過程改進時，他們是否意識到在業務中應用質量保證和質量標準的重要性？

安迪?尼科爾斯：當然。我最近與一家生產賽車散熱器的小公司合作。他們過去采用檢測零件的方法，這些零件在出廠時都是好的，但是他們不知道這些零件經歷了多少次返工，或者在組裝時遇到了多少次修理問題。收集數據后，我們發現他們可以更好地判斷在過程中的什么地方出了問題，從而降低成本。

《質量世界》：先進制造技術對這些公司有什么好處？

安迪?尼科爾斯：我們正在美國牽頭一個項目，讓中小企業更容易接觸到工業4.0計劃。我們有一個制造工廠，用來展示工業4.0和先進制造技術的多個不同方面。當我們向人們展示這些進步時，我們得到的最多反饋之一是：它們實施起來并不像預期的那么昂貴。

例如，在設備上安裝傳感器，通過物聯網（IoT）來驅動數據分析，將為管理層實時提供關于生產率的更好想法，并在第一時間做出正確的決定。使用機器人也是有益的，因為這些機器更具有一致性。例如，它們不會因為疲勞而影響質量。隨著自動化的發展，我們現在更關注開發“合作機器人”——即我們所說的“3D（骯臟、乏味或危險）”類型的機器。沒有人愿意做這些工作，但機器可以做得很好。

《質量世界》：你認為未來的質量管理會是怎樣的？

安迪?尼科爾斯：有些人仍然持有20世紀的觀點，認為質量更多的是一種檢驗功能。今天，通過良好的過程控制和去除人的變量，它提出了一個問題：你真的需要做任何檢驗嗎？當然，檢驗是可以自動化的。我確實認為，在未來，質量專業人士的角色將更多地與客戶服務有關，而且在過程的更早階段，將在戰略和戰術層面上扮演更重要的角色——更多地與規劃相關。

《質量世界》：先進制造給質量專業人士帶來了什么挑戰？

安迪?尼科爾斯：和其他事情一樣，我認為哪里有變化，哪里就有恐懼——不管是對潛在失業的恐懼還是對未知的恐懼。在我看來，質量專業人士應該尋求機會來掌控企業的正確領域，從而最有效地避免問題發生。