工業(yè)4.0及其對模具制造業(yè)的影響

張　穎（北京城市學院，北京　101309）

工業(yè)4.0及其對模具制造業(yè)的影響

張穎
（北京城市學院，北京101309）

本文結合工業(yè)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(yè)，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(yè)在工業(yè)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(yè)4.0；智能制造；模具制造業(yè)；3D打印技術

1　工業(yè)4.0與智能制造

工業(yè)4.0的核心理念是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)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(tǒng)（CPS）。CPS將是一個包含計算、網絡和物理世界的復雜系統(tǒng)，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(xié)作，來實現(xiàn)信息世界與物理世界的緊密融合。結合制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)4.0提出了智能制造的概念，它是基于現(xiàn)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(zhí)行和反饋的方式，來實現(xiàn)產品設計過程、制造過程和企業(yè)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(xù)的制造模式，它有助于優(yōu)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(xiàn)循環(huán)再生和減少污染。實現(xiàn)智能制造的智能工廠將由物理系統(tǒng)和虛擬信息系統(tǒng)組成，被稱為信息物理生產系統(tǒng)（CPPS），它是未來制造業(yè)的重要組成單位。

2　工業(yè)4.0對模具制造業(yè)的影響

2.13D打印技術的使用

3D打印制造技術作為工業(yè)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(jù)計算機的三維設計和計算，通過軟件程序和數(shù)控系統(tǒng)將特定功能材料逐層堆積固化的快速成型制造技術。

傳統(tǒng)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(guī)模生產。而且模具的開發(fā)技術難度大，特別是對于外觀復雜的工業(yè)產品或零件而言，其外觀越復雜，模具的研發(fā)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(fā)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(tài)，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(fā)前期的投入過高對企業(yè)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(jié)，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(tǒng)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(jù)工業(yè)4.0的特點，模具制造業(yè)可以通過運用人工智能、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算等手段改造生產流程、管理系統(tǒng)和商業(yè)模式，從而緩解該行業(yè)的生產成本高、開發(fā)周期短的壓力。營造智能制造的生產環(huán)境，可以改變模具制造業(yè)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(yè)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(yè)務模式，構筑了其全球迅速交貨體制，實現(xiàn)了商業(yè)創(chuàng)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(guī)模生產的注塑件或沖壓件的產品的三維形態(tài)掃描和具體尺寸的大數(shù)據(jù)分析，將產品的尺寸缺陷反饋給模具制造設備，從而發(fā)現(xiàn)了用于規(guī)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(shù)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(tǒng)的數(shù)字化以及產品測量設備與模具制造設備的互聯(lián)，使得模具開發(fā)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(yè)逐漸進入大數(shù)據(jù)時代，智能制造需要高性能的計算機和網絡設備來實現(xiàn)互聯(lián)，這樣通過上游的計算機安裝SCADA數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)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(xiàn)了模具的快速開發(fā)，提高了模具的生產效率。

圖1　云端控制與機器人互聯(lián)模型

3　結束語

工業(yè)4.0所倡導的信息系統(tǒng)與物流系統(tǒng)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(yè)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(yè)作為制造業(yè)的重要組成部分，在加入智能制造的概念后，必然能夠實現(xiàn)信息和物質的智能互聯(lián)，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(yè)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(xiàn)代制造，2014（01）：24-25.

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

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