Производство в 2050 году:мир перевернулся?

Мощные тенденции приблизят производство к полной автоматизации к 2050 году, а люди, все еще работающие в отрасли, получат возможность быстро внедрять инновации, как никогда раньше.

Много лет назад Уоррен Беннис предсказал, что «на фабрике будущего будет всего два работника, мужчина и собака. Мужчина будет там кормить собаку. Собака будет там, чтобы человек не прикасался к оборудованию».

Мы еще не совсем там. Но ряд мощных и взаимосвязанных тенденций приблизит нас к этому состоянию к 2050 году, а люди, все еще работающие на производстве, смогут быстро внедрять инновации и строить, как никогда раньше.

Многозадачность и автоматизация

Можно с уверенностью сказать, что к 2050 году средний станок будет полностью автоматизирован и станет более производительным. Многозадачность станет обычным явлением, возможно, почти универсальным. Тенденция хорошо зарекомендовала себя.

Как заметил ветеран отрасли Скотт Уокер, председатель Mitsui Seiki USA (Франклин Лейкс, Нью-Джерси):«В начале 2000-х рынок пятиосных станков в Северной Америке составлял 150. Сегодня это 3000. Машины также сочетают в себе шлифование и фрезерование, или лазерное напыление металла и фрезерование, или шлифование и упрочнение». Он добавил, что, хотя преимуществом является способность выполнять больше в пределах рабочего окружения, «кошмаром» является то, что все эти функции работают должным образом и последовательно. «Но это изменится по мере совершенствования технологий, мониторинга и программного обеспечения».

Слоном в комнате для многих производителей является степень, в которой 3D-печать изменит набор технологий, и помимо этого ее последствия для дизайна продукта и множество других вопросов. До сих пор ограничения скорости и высокие затраты на сырье для аддитивного производства серьезно ограничивали его жизнеспособность за пределами прототипирования. Но Терри Уолерс, главный консультант и президент Wohlers Associates (Форт-Коллинз, Колорадо), считает, что к 2050 году скорость «перестанет быть врагом».

Возьмем систему с порошковым покрытием:основная часть производственного времени приходится на отслеживание поверхности лазером для плавления материала. «Но теперь доступны системы со многими лазерами, работающими одновременно на строительной платформе», — сказал Волерс. «Энергия электронного луча может быть разделена на 100 лучей, чтобы ускорить процесс». С другой стороны, эти подходы требуют много энергии, что дорого. Уолерс считает, что мы преодолеем эти ограничения, возможно, «используя энергию солнца непосредственно для плавления материала, а не подключая его к розетке 440».

Уолерс добавил, что направленное осаждение энергии по своей природе быстрее, чем метод порошкового слоя для создания металлических компонентов, но «пользователи ограничены в объектах, которые они могут создавать, и существует компромисс в разрешении, обычно требующем механической обработки, а иногда и значительного количества. ” Это возвращает нас к гибридным системам, сочетающим аддитивную обработку с фрезерованием на станках с ЧПУ. Как и Уокер, Уолерс считает, что проблемы гармоничного взаимодействия этих двух подходов в основном будут решены в ближайшие 32 года.

Еще одним аргументом в пользу более широкого использования аддитивных технологий является ожидаемое снижение стоимости материалов и более широкий выбор. «Сегодняшние машины работают, например, всего с несколькими десятками термопластов, — сказал Уолерс, — но для обычного производства доступны тысячи».

Возможно, что более важно, полимеры, используемые в настоящее время в 3D-печати, стоят в 50 раз дороже, чем аналогичные полимеры для обычного производства. Таким образом, точка безубыточности составляет от сотен до тысяч единиц в зависимости от размера детали. Но Уолерс сказал, что срок действия многих патентов на машины, производящие детали из полимеров, истек, что привело к созданию новых машин, в которых используются более дешевые материалы. «Точка безубыточности резко улучшится, так что добавка бросит вызов литью под давлением для гораздо более широкого спектра продуктов, включая приложения с большими объемами».

Аналогичный случай можно сделать и с металлом, но Уокер, например, скептически относится к тому, что присадка позволит достичь профиля затрат в металлах, который оправдывает замену традиционных методов. «Гораздо проще нагреть 60 тонн и прокатать листовой металл, чем построить что-то из металлического порошка или облицовки», — сказал Уокер. «Я смотрю на добавку как на функцию, которую вы можете поместить в оболочку машины, чтобы повысить ценность процесса. Но я не рассматриваю присадки как замену процесса производства стали, если только технология не изменится и мы не дойдем до молекулярного манипулирования с использованием другого источника энергии».

У аддитивного производства остался один козырь, по крайней мере, для некоторых игроков:возможность создавать формы, которые в противном случае были бы невозможны. Это не только открывает потенциал для новых продуктов и функций, но также помогает решить проблему скорости 3D-печати. Это связано с тем, что открытая решетчатая структура, ставшая возможной благодаря 3D-печати, может обеспечить необходимую прочность и жесткость, необходимые для многих приложений, с гораздо меньшим количеством материала, чем сплошная структура. А скорость производства 3D-печати прямо пропорциональна кубическому объему материала. Странные новые структуры хорошо перекликаются с нашей следующей темой.

Автоматизированный креативный дизайн

По мнению Уокера, производство готово добиться наибольшего повышения производительности в двух областях, одна из которых заключается в оцифровке всей работы, необходимой для подготовки производственного процесса. «Сегодня дизайнер начинает с цифровой модели, а затем создает траекторию движения инструмента… затем кто-то проектирует приспособление… затем вы получаете поковку… затем инженер-технолог загружает программу на станок, переходит от инструмента к инструменту и следит за тем, как вырезать звуки и то, как это выглядит… и, в конце концов, он получает машину для изготовления детали… а затем он совершенствует все движения, чтобы сократить время цикла». На самом деле это еще хуже, потому что получить первоначальный дизайн также обременительно. К счастью, многие яркие умы прилагают все усилия, чтобы облегчить и ускорить каждую часть этого процесса.

На переднем крае технология генеративного дизайна помогает все большему количеству творческих людей быстро исследовать новые геометрические возможности. В случае Fashion 360 от Autodesk (Сан-Рафаэль, Калифорния) программное обеспечение работает в облаке и использует машинное обучение и искусственный интеллект (ИИ) для автоматического создания сотен дизайнов, каждый из которых удовлетворяет критериям дизайнера в отношении прочности, стоимости, метода производства. , материал и так далее. Более того, как объяснил Боб Янси, директор Autodesk по производству и производственной стратегии, проекты — это «не просто какая-то идеализированная геометрия, которую невозможно использовать, это реальные рабочие модели САПР, которыми можно в дальнейшем манипулировать в программном обеспечении САПР».

Они также являются тем, что Янси называет «осведомленным о производстве», что означает, что они начали с желаемых производственных методов, встроенных в качестве ограничения с самого начала. «Поэтому, если вы укажете, что деталь должна обрабатываться на пятиосевом станке с ЧПУ, все ваши варианты конструкции будут соответствовать этому ограничению», — сказал он.

Это не отменяет необходимости в дизайнере-человеке. Как выразился Янси:«Точное и компетентное описание задачи проектирования — это инженерный навык, который никогда не исчезнет. Что делает программное обеспечение для генеративного дизайна, так это дает вам больше вариантов дизайна, чем любой человек мог бы представить самостоятельно, поэтому у вас больше уверенности в том, что вы рассматриваете гораздо больше вариантов и получаете лучшие результаты. Мы видим в этом будущее совместного творчества инженера и компьютера или человеческого интеллекта и искусственного интеллекта».

Возможно, что более глубоко, дизайн часто поразителен и превосходит то, что человек мог бы себе представить. Как сказал Диего Тамбурини, главный отраслевой лидер — Сообщества производственной промышленности / Подразделение Cloud + AI для Microsoft (Редмонд, Вашингтон):«Если я сижу перед своим CAD-инструментом для проектирования детали, у меня уже есть 1000 предубеждений о том, как это должно быть. внешний вид, основанный на столетиях предыдущих дизайнов. У ИИ нет таких понятий. И хотя я согласен с тем, что автоматизация проектирования — сложная проблема, и трудно представить компьютер, проектирующий сложные предметы, мы должны признать, что, наоборот, во многих случаях мы живем с неоптимальными человеческими проектами».

Некоторые из наших предубеждений проистекают из нашего опыта работы с сырьем, ограниченным блоками, брусками и листами. Но 3D-печать не ограничивается этим сырьем. Он также не ограничен в формах, которые может создавать.

Если убрать эти ограничения и позволить ИИ работать, генеративный дизайн часто создает формы, которые «полностью отличаются от того, к чему мы привыкли. Более органические, как кости животных», — сказал Тамбурини.
Волерс поддержал это и сказал, что природа предлагает превосходные образцы структур с замечательным соотношением прочности и веса. До недавнего времени 3D-принтеры производили решетчатые, сетчатые или ячеистые структуры, определяемые стандартными программами, с небольшим пониманием их прочностных свойств. «Новейшие инструменты оптимизации топологии могут создавать спроектированные решетчатые и ячеистые структуры с уверенностью в прочности», — сказал Уолерс. «В будущем мы можем увидеть сверхлегкие конструкции из различных металлических сплавов, которые легче, чем композиты из углеродного волокна, производство которых требует много времени и денег».

Тамбурини сказал, что видел случаи, когда компьютер придумывал решетчатую форму, которая не внушала доверия человеку (она выглядела слишком легкой и хлипкой), поэтому дизайнер покрывал ее чем-то, чтобы она выглядела прочнее. В конце концов, люди остаются людьми.

Ускорение процесса

Кристина «Z» Холли, основатель и главный вдохновитель компании Make It In LA (Лос-Анджелес), подчеркнула преимущества сочетания все более умного программного обеспечения с 3D-печатью и другими новыми технологиями (такими как виртуальная реальность) для значительного ускорения итеративного цикла разработки продукта. Она отметила, что помимо возможности получать больше отзывов от потребителей на более ранних этапах процесса, что может привести к созданию более качественных продуктов, новые инструменты демократизируют процесс проектирования и сборки.

«Что это означает с точки зрения того, как мы внедряем инновации и кто их внедряет? Я думаю, что мир станет другим, если мы позволим не инженерам разрабатывать продукты, которые они хотят», — сказала она. «Предпринимателям также будет легче начать производственный бизнес. Какие продукты станут доступны, если люди смогут начать бизнес с физическими продуктами так же легко, как и с цифровыми?»

Один результат она предвидит:«Два набора навыков становятся невероятно ценными. Одним из них являются глубокие технологические навыки для кодирования этих систем и понимание мельчайших деталей того, что работает, а что нет». Во-вторых, чуткое понимание потребностей клиента и рыночных возможностей.

Какие навыки становятся менее важными? Собственно запуск машин. Процесс от проектирования до CAM будет более или менее автоматизирован. Как объяснил Уокер, если проектная модель включала информацию о материале (что становится стандартом), машина должна «обладать интеллектом, чтобы делать все остальное. Возьмите нужные инструменты из стойки на 8000 инструментов и следуйте правильным траекториям с соответствующей скоростью. Станок должен иметь возможности визуального и звукового мониторинга, чтобы избежать столкновений, а также измерять условия резания и соответствующим образом регулировать скорость и подачу. Это то, чем сегодня занимаются прикладные инженеры. Сколько нам понадобится через 30 лет? Надеюсь, нет».

Сказав это, Холли предостерегла от сосредоточения внимания исключительно на рабочих местах. Во-первых, будут рабочие места — просто другие, более творческие. И, во-вторых, «важно сохранить инновации на местном уровне», — сказала она. «Есть много недостатков в отправке дизайна и производства за границу. Вы теряете контроль над интеллектуальной собственностью. Это не хорошо для окружающей среды. И вы упускаете из виду то, что возможно, если только вы не занимаетесь производством».

Создано на заказ... локально

Кажется, все согласны с тем, что производство станет гораздо более географически рассредоточенным, и этому процессу в значительной степени способствует множащиеся возможности отдельных станков. Янси сказал, что многие производители хотят снизить риски и сделать продукты ближе к покупателю, чтобы лучше адаптировать их к рынку.

Уокер согласился и также предсказал, что транспортные расходы и воздействие на окружающую среду заставят компании производить продукцию на местном уровне. Он добавил, что существуют также зачеты, санкционированные государством, при которых производитель должен произвести определенное количество деталей в стране, чтобы продавать продукцию в этой стране. Еще одним мотиватором является сохранение прибыльности, несмотря на колебания курсов валют. Проблема усугубляется сокращением маржи.

В то же время будет гораздо большая степень персонализации и более тесная цепочка поставок. Как резюмировал Тамбурини:«Практика прогнозирования спроса и массового производства деталей для удовлетворения ожидаемого спроса перевернется с ног на голову. Это будет ближе к покупателю, который точно скажет производителю, что он хочет, и производитель сделает это тогда и только тогда. Цифровизация и автоматизация делают эту мечту более технически и даже экономически осуществимой».

Это не применимо к каждому продукту, а границы между стандартизацией, индивидуализацией и персонализацией размыты. Но Тамбурини уверен, что практика персонализации продуктов с помощью списка предопределенных опций будет расти в геометрической прогрессии. Некоторые продукты, такие как протезы и одежда, могут быть полностью персонализированы. Точно так же большинство производителей будут универсальными сервисными бюро, а не специалистами. Машины будут создавать все, что приходит через облако, по запросу.

Как выразился Уокер, «сегодня компании нужен контракт на срок от трех до пяти лет для производства компонента, потому что стоимость покупки, программирования и оснащения станка для последовательного и точного изготовления детали огромна». Сделайте машины автоматизированными и многофункциональными и устраните большую часть усилий по настройке, и производство станет более гибким и, возможно, менее прибыльным бизнесом. Как сказала бы Холли из Make It в Лос-Анджелесе, процесс проектирования, инструменты и интерфейсы дизайна становятся еще более важными.

Все в порядке

Рост оцифровки, «гиперсвязность» и искусственный интеллект должны значительно улучшить нашу способность поддерживать производство с минимальными затратами труда и простоев. Тамбурини сказал, что большая часть собираемых в настоящее время данных используется для мониторинга того, что происходит на заводе и по всей цепочке поставок. «Но мы начинаем задаваться вопросом, почему происходят определенные вещи, и используем ИИ для прогнозирования того, что произойдет. Следующий этап этого процесса — использование искусственного интеллекта и машинного обучения для обеспечения автономных ответов».

Другими словами, при наличии достаточного количества данных для анализа машинное обучение может точно предсказывать отказы конкретных деталей. Имея хорошие алгоритмы принятия решений и зная обо всех производственных требованиях в цехе, система также может сама решить, что делать с ожидаемым отказом:заказать деталь, запланировать время простоя, перенести определенные работы на другие машины и так далее. Вы могли бы даже представить себе машину, которая чинит сама себя или заказывает робота, который может это сделать, хотя Уокер сказал, что не думает, что мы когда-нибудь избавимся от потребности в специалистах по обслуживанию. Однако он считает, что машины будут громко сообщать о том, что нужно сделать, — нет необходимости в портативных устройствах, экранах и элементах управления.

Тамбурини сказал, что у Microsoft есть головной продукт (HoloLens), который позволяет вам взаимодействовать с голограммами вокруг вас. «Он накладывает цифровую информацию поверх реальности, в некотором смысле давая вам сверхспособности. Люди обнаруживают, что дополненную реальность можно использовать для таких вещей, как предоставление инструкций по сборке, инструкций по контролю качества или инструкций по техническому обслуживанию, что снижает потребность в обучении». Например, удаленный специалист по обслуживанию может помочь местному специалисту, указав на деталь или сообщив, как ее переместить, как если бы они вместе смотрели на одну и ту же вещь в одном и том же магазине.

Наконец, Тамбурини отметил, что одна из прелестей машинного обучения заключается в том, что «в тот момент, когда они становятся лучше, эти возможности или знания могут быть мгновенно переданы всему миру, потому что это всего лишь программное обеспечение. Таким образом, все становятся умнее и лучше, если мы можем обмениваться данными». Он противопоставил это тому, чтобы полагаться на эксперта на заводе, который использует свой многолетний опыт для интерпретации звуков машин и тому подобного. «Очень сложно распространять такие знания».

Что не изменится

Судя по всему, эксперты не считают, что точность производства значительно улучшится в ближайшие 30 лет. «Сейчас мы работаем над допусками, где метрология для определения точности является более серьезной проблемой», — сказал Уокер. «Следующим шагом к улучшению переносимости станут молекулярные манипуляции» (чего никто не предполагал). Казалось, никто не думал, что скорость обработки также будет значительно выше. Даже улучшение скорости 3D-печати, о котором говорилось ранее, будет скорее эволюционным, чем революционным — не таким значительным, как увеличение производительности за счет усовершенствований программного обеспечения. Точно так же наша нынешняя способность производить крошечные компоненты уже удивительна. Уолерс назвал миниатюризацию «отчасти решением проблемы. Одним из немногих приложений являются крошечные датчики, встроенные в напечатанные на 3D-принтере детали».

Если вас беспокоят эти изменения, Уокер может утешить вас следующей мыслью:«Мы совершенствуем производство с 1780-х годов. Следующие 30 лет будут более тонкими, если мы не придумаем что-то действительно революционное». Он спросил меня, сказал ли кто-нибудь, что они выяснили, как управлять гравитацией, чтобы мы могли летать на Луну, не сжигая ископаемое топливо, зная ответ. Если подумать, никто не упомянул и о собаке, которая мешала человеку вносить изменения в машину.