Производство в 2050 году: как автоматизация и человеческая инновация сформируют будущее

Мощные тренды толкнут производство к почти полной автоматизации к 2050 году, пока люди, все еще работающие в отрасли, получат возможность инновировать и строить быстрее, чем когда-либо.

Годами Уоррен Беннис предсказывал: «Завод будущего будет иметь только двух сотрудников — человека и собаку. Человек будет там, чтобы кормить собаку. Собака — чтобы не давать человеку трогать оборудование».

Мы еще не там. Но ряд мощных и взаимосвязанных трендов приблизит нас к этому состоянию к 2050 году, пока люди в производстве будут уполномочены быстро инновировать и строить как никогда раньше.

Многофункциональность и автоматизация

Можно уверенно ставить, что к 2050 году средний станок будет полностью автоматизирован и более способным. Многофункциональность станет обычной, возможно, почти универсальной. Тренд давно установлен.

Как отметил ветеран отрасли Скотт Уокер, председатель Mitsui Seiki USA (Франклин Лейкс, штат Нью-Джерси): «В начале 2000-х рынок пятиосевых станков в Северной Америке составлял 150 штук. Сегодня — 3000. Станки также комбинируют шлифование и фрезерование, или лазерное наплавление металла и фрезерование, или шлифование и закалку». Он добавил, что хотя преимущество — способность делать больше внутри рабочего контура, «кошмар» заключался в заставлении всех этих функций работать правильно и последовательно. «Но это изменится по мере улучшения технологий, мониторинга и ПО».

Слон в комнате для многих производителей — в какой medida 3D-печать изменит технологический микс, и за этим — её последствия для дизайна продукта и множества других вопросов. Пока ограничения скорости и высокая стоимость сырья аддитивного производства строго ограничивали его жизнеспособность за пределами прототипирования. Но Терри Волерс, главный консультант и президент Wohlers Associates (Форт-Коллинс, штат Колорадо), сказал, что скорость «не будет врагом» к 2050 году.

Возьмем систему с порошковым слоем: Основное производственное время уходит на трассировку поверхности лазером для сплавления материала. «Но теперь доступны системы с множеством лазеров, работающих одновременно на строительной платформе», — сказал Волерс. «Энергия электронного пучка может быть разделена на до 100 пучков для ускорения процесса». С другой стороны, эти подходы требуют много энергии, что дорого. Волерс думает, что мы преодолеем эти ограничения, возможно, «используя энергию солнца напрямую для плавления материала, а не подключая к розетке 440 В».

Волерс добавил, что направленное энергетическое наплавление по сути быстрее порошкового слоя для построения металлических компонентов, но «пользователи ограничены в объектах, которые могут создать, и есть компромисс в разрешении, обычно требующий механической обработки, иногда значительной». Это возвращает нас к гибридным системам, комбинирующим аддитивное с ЧПУ-фрезерованием. Как Уокер, Волерс считает, что проблемы в гармонизации этих двух подходов в значительной степени будут решены в ближайшие 32 года.

Другой фактор, говорящий за большее использование аддитивных техник — ожидаемое снижение стоимости материалов и более широкий выбор. «Сегодняшние станки работают только с несколькими десятками термопластиков, например», — сказал Волерс, — «в то время как тысячи доступны для конвенционального производства».

Возможно, более важно, полимеры, используемые сейчас в 3D-печати, стоят до 50 раз дороже похожих полимеров для конвенционального производства. Это ставит точку безубыточности в сотни-тысячи единиц в зависимости от размера детали. Но Волерс сказал, что многие патенты на станки, производящие детали из полимеров, истекли, приводя к новым станкам, использующим более дешевые материалы. «Точка безубыточности драматически улучшится, так что аддитивное будет бросать вызов литье под давление для гораздо более широкого спектра продуктов, включая более высокие объемы применений».

Аналогичный случай можно сделать для металлов, но Уокер, например, скептичен, что аддитивное достигнет профиля стоимости в металлах, оправдывающем замену традиционных методов. «Нагрев 60 тонн и прокатку листового металла намного проще, чем строительство чего-то из металлического порошка или наплавление», — сказал Уокер. «Я смотрю на аддитивное как на функцию, которую можно положить в конверт станка, чтобы добавить ценность процессу. Но не вижу в аддитивном замену процесса для производства стали, если технология не изменится и мы не дойдем до молекулярной манипуляции с другим видом энергии».

Аддитивное производство имеет еще один козырь, по крайней мере, для некоторых игроков: способность создавать формы, которые иначе были бы невозможны. Это не только открывает потенциал для новых продуктов и функций, но и помогает решить проблему скорости 3D-печати. Это потому, что открытая решетчатая структура, станная 3D-печатью, может достичь необходимой прочности и жесткости для многих приложений с гораздо меньшим материалом, чем цельная структура. И скорость производства 3D-печати прямо пропорциональна кубическому объему материала. Странные новые структуры хорошо перекрываются с нашей следующей темой.

Автоматизированный, творческий дизайн

По мнению Уокера, производство готово к крупнейшим приростам продуктивности в двух областях, одной из которых — оцифровка всей работы, необходимой для подготовки производственного процесса. «Сегодня дизайнер начинает с цифровой модели, затем генерирует траекторию инструмента... затем кто-то проектирует оснастку... затем получаете ковку... затем инженер-приложения капает программу в станок и идет инструмент за инструментом, мониторя, как звучит рез и как он выглядит... и в итоге заставляет станок сделать деталь... и затем уточняет все движения, чтобы сократить время цикла». На самом деле даже хуже, потому что получение исходного дизайна тоже громоздко. К счастью, многие яркие умы усердно работают, чтобы облегчить и ускорить каждую часть этого процесса.

На входе, технология генеративного дизайна помогает все более широкой группе креаторов быстро исследовать новые геометрические возможности. В случае Fashion 360 от Autodesk (Сан-Рафаэль, штат Калифорния), ПО работает в облаке и использует машинное обучение и искусственный интеллект (ИИ) для автоматической генерации сотен дизайнов, каждый из которых удовлетворяет критериям дизайнера по прочности, стоимости, производственному методу, материалу и так далее. Что еще, объяснил Боб Янси, директор по производственной стратегии Autodesk, дизайны «не просто какая-то невозможная для использования идеализированная геометрия, это реальные рабочие САПР-модели, которые можно дальше манипулировать в САПР-софте».

Они также то, что Янси называет «производственно-осведомленными», что означает, что они начинались с желаемых производственных методов, встроенных как ограничение с самого начала. «Так что если вы указываете, что деталь должна быть пригодна для обработки на пятиосевом ЧПУ, все ваши варианты дизайна будут соответствовать этому ограничению», — сказал он.

Это не устраняет необходимость в человеческом дизайнере. Как выразился Янси, «Описание дизайнерского вызова с точностью и экспертизой — это инженерный навык, который не исчезнет. Что делает генеративный дизайн — дает вам больше вариантов дизайна, чем любой человек мог бы придумать сам, так что у вас больше уверенности, что вы рассматриваете гораздо больше вариантов и получаете лучшие результаты. Мы видим это как будущее совместного творчества между инженером и компьютером, или человеческим интеллектом и искусственным интеллектом».

Возможно, более глубоко, дизайны часто оказываются поражающими и превосходящими то, что человек представил бы. Как сказал Диего Тамбурини, главный индустриальный лидер — Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division для Microsoft (Редмонд, штат Вашингтон): «Если я сижу перед своим САПР-инструментом, чтобы спроектировать деталь, у меня уже есть 1000 предубеждений о том, как она должна выглядеть, основанных на веках предыдущих дизайнов. У ИИ таких представлений нет. И хотя я согласен, что автоматизация дизайна — сложная проблема и трудно представить компьютер, проектирующий сложные изделия, мы должны признать, что, наоборот, есть много случаев, когда мы живем с субоптимальными человеческими дизайнами».

Некоторые наши предубеждения вытекают из опыта с сырьем, ограниченным блоками, прутками и листами. Но 3D-печать не ограничена этими сырьями. И не ограничена в формах, которые может создавать.

Если убрать эти ограничения и дать ИИ поработать, генеративный дизайн часто создает формы, которые «полностью отличаются от привычных. Более органичные, как кости животных», — сказал Тамбурини. Волерс подкрепил это и сказал, что природа предлагает отличные примеры структур с замечательными соотношениями прочность/вес. До недавнего времени 3D-принтеры производили решетчатые, ячеистые или клеточные структуры, заданные готовыми программами с малым пониманием их прочностных свойств. «Новейшие инструменты топологической оптимизации могут производить инженерные решетчатые и ячеистые структуры с уверенностью в прочности», — сказал Волерс. «В будущем мы могли бы увидеть сверхлегкие структуры в разных металлических сплавах, легче углеродных композитов, которые трудоемки в производстве и дороги».

Тамбурини сказал, что видел случаи, когда компьютер придумывал решетчатую форму, не вдохновляющую уверенность в человеке (выглядит слишком легкой и хлипкой), поэтому дизайнер накрывает её чем-то, чтобы выглядело крепче. Люди остаются людьми, после всего.

Ускорение процесса

Кристина «З» Холли, основатель и главный инстигатор Make It In LA (Лос-Анджелес) подчеркнула выгоду объединения все более умного ПО с 3D-печатью и другими новыми технологиями (как виртуальная реальность) для значительного ускорения итеративного цикла разработки продукта. Помимо способности получать больше обратной связи от потребителя на более ранней стадии процесса, что может привести к намного лучшим продуктам, она указала, что новые инструменты демократизируют процесс дизайна и строительства.

«Что это значит в терминах того, как мы инновируем и кто инновирует? Я думаю, мир будет другим, если мы позволим не-инженерам проектировать те продукты, которые они хотят», — сказала она. «Также будет легче предпринимателям начинать производственный бизнес. Какие продукты станут доступны, если люди смогут запускать бизнес физических продуктов так же легко, как бизнес цифровых продуктов?»

Один исход, который она видит: «Два набора навыков становятся невероятно ценными. Один — глубокие технологические навыки для кодирования этих систем и понимания нюансов того, что работает, а что нет. Другой — эмпатическое понимание потребностей клиента и рыночных возможностей».

Какие навыки становятся менее критичными? Фактически управление станками. Процесс от дизайна до САПР будет более или менее автоматизирован. Как объяснил Уокер, если дизайнерская модель включает информацию о материале (как становится стандартом), станок должен «иметь интеллект, чтобы сделать остальное. Достать правильные инструменты из 8000-местного стеллажа и следовать правильным траекториям на соответствующих скоростях. Станок должен иметь зрение и аудиальные возможности мониторинга, чтобы избегать столкновений и оценивать условия резания, подстраивая скорости и подачи. Это то, что делают инженеры-приложения сегодня. Сколько нам понадобится через 30 лет? Надеемся, ни одного».

Сказав это, Холли предупредила от фокуса исключительно на рабочих местах. Во-первых, рабочие места будут — просто другие, более творческие. И во-вторых, «Важное — держать инновации локальными», — сказала она. «Есть много негативных сторон в отправке дизайна и производства за рубеж. Вы теряете контроль над интеллектуальной собственностью. Это не хорошо для окружающей среды. И вы теряете представление о том, что возможно, если у вас нет рук в самом производстве».

Производство на заказ... Локально

Все согласны, что производство станет гораздо более географически разбросанным, процесс, сильно способствуемый растущими возможностями отдельных станков. Янси сказал, что многие производители хотят и снизить риск, и делать продукты ближе к клиенту, чтобы лучше адаптировать их к рынку.

Уокер согласился и также предсказал, что транспортные расходы и экологическое воздействие заставят компании производить локально. Он добавил, что также есть правительственные мандаты компенсации, при которых производитель должен производить определенное количество деталей в стране, чтобы продавать продукты в этой стране. Еще один мотиватор — поддержание рентабельности несмотря на колебания валют, проблема, усугубляемая сужающимися маржами.

В то же время будет гораздо большая степень кастомизации и гораздо более тесная цепочка поставок. Как подвел итог Тамбурини: «Практика прогнозирования спроса и массового производства деталей для удовлетворения ожидаемого спроса будет перевернута с ног на голову. Будет ближе к клиенту, говорящему производителю точно, что он хочет, и производителю делающему это тогда и только тогда. Оцифровка и автоматизация делают эту мечту более технически, и даже экономически, выполнимой».

Это не применимо к каждому продукту, и границы между стандартизацией, кастомизацией и персонализацией размыты. Но Тамбурини уверен, что практика кастомизации продуктов через список предопределенных опций будет расти экспоненциально. Некоторые продукты, как протезы и одежда, могут быть полностью персонализированы. Подобно тому, большинство производителей станут обобщенными сервисными бюро, а не специалистами. Станки будут строить что угодно, приходящее из облака, по требованию.

Как выразился Уокер: «Сегодня компании нужен 3-5 летний контракт для изготовления компонента, потому что стоимость покупки, программирования и оснастки станка для последовательного и точного изготовления детали огромна». Сделайте станки автоматизированными и многофункциональными и устраните большую часть усилий по наладке, и производство станет более гибким, а, возможно, бизнесом с более низкими маржами. Как Холли из Make It in LA хотела бы, процесс дизайна и инструменты дизайна и интерфейсы становятся еще более важными.

Поддержание работы в норме

Усиленная оцифровка, «гипер-коннективность» и ИИ должны значительно улучшить нашу способность поддерживать производство работающим с минимумом персонала и простоя. Тамбурини сказал, что большинство собираемых сейчас данных используется для мониторинга того, что происходит на заводе и по всей цепочке поставок. «Но мы начинаем спрашивать "почему" происходят определенные вещи и использовать ИИ для предсказания того, что случится. Следующая фаза в этом процессе — использование ИИ и машинного обучения для обеспечения автономных реакций».

Другими словами, с достаточным объемом данных для анализа, машинное обучение может точно предсказывать конкретные отказы деталей. С хорошими алгоритмами принятия решений и знанием о всех производственных требованиях на цехе, система может также решить сама, что делать с надвигающимся отказом: заказать деталь, запланировать простой, перенести определенные задания на альтернативные станки, и так далее. Можно даже представить станок, чинящий сам себя или заказывающий робота, который может, хотя Уокер сказал, что не думает, что мы когда-либо избавимся от потребности в человеческих техниках по обслуживанию. Однако он думает, что станки будут коммуницировать звуково о том, что нужно сделать — без необходимости портативных устройств или экранов и пультов.

Тамбурини сказал, что у Microsoft есть головное устройство (HoloLens), позволяющее взаимодействовать с голограммами вокруг вас. «Оно накладывает цифровую информацию поверх реальности, давая вам суперспособности, в каком-то смысле. Люди находят, что дополненная реальность может использоваться для таких вещей, как инструкции по сборке, или ОК инструкции, или инструкции по обслуживанию, тем самым снижая потребность в обучении». Например, удаленный эксперт по обслуживанию может помочь локальному технику, указывая на деталь или показывая, как сдвинуть деталь, как если бы они оба смотрели на одну и ту же вещь в одной мастерской вместе.

Наконец, Тамбурини указал, что одна из красот машинного обучения — «момент, когда они становятся лучше, та способность или знание может быть мгновенно транслировано во всем мире, потому что это просто софт. Так что все становятся умнее и лучше, предполагая, что мы можем делиться данными». Он противопоставил это зависимости от эксперта на заводе, который использует свои годы опыта для интерпретации звуков станков и так далее. «Очень сложно распространить такой вид знаний».

Что не изменится

Насколько это вообще поднималось, эксперты не думают, что производственная точность сильно продвинется в ближайшие 30 лет. «Мы работаем с допусками, где метрология для определения точности — более большая проблема», — как выразился Уокер. «Следующий шаг к лучшим допускам — молекулярная манипуляция» (которую никто не предвидел). Никто не думал, что скорость обработки тоже значительно возрастет. Даже улучшение скоростей 3D-печати, обсуждавшееся ранее, будет более эволюционным, чем революционным — не таким значительным, как рост продуктивности из-за улучшений ПО. Так же, наша текущая способность производить крошечные компоненты уже удивительна. Волерс назвал миниатюризацию «частично решением, ищущим проблему. Одним из немногих применений — крошечные датчики, встроенные в 3D-напечатанные детали».

Если вы беспокоитесь о изменениях, Уокер может утешить вас этой мыслью: «Мы настраиваем производство с 1780-х. Следующие 30 лет будут больше настройкой, если мы не придумаем что-то действительно революционное». Он спросил меня, не сказал ли кто-нибудь, что они разобрались, как манипулировать гравитацией, чтобы мы могли лететь на Луну без сжигания ископаемого топлива, зная ответ. Приходится думать, никто не упомянул собаку, которая не давала человеку вносить изменения в станок, тоже.