制造業(yè)中的顛覆性技術(shù)

（孟昭青 編譯）

編者按

本文通過對(duì)謝菲爾德大學(xué)工程學(xué)院工程研究與創(chuàng)新系主任約翰??？瓶私淌诤兔苄葜圃旒夹g(shù)中心質(zhì)量項(xiàng)目經(jīng)理安迪?尼科爾斯（A ndy Nichols）的訪談，介紹了制造業(yè)中先進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)，以及如何將其用于工業(yè)以及應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)。文中還介紹了隨著先進(jìn)制造業(yè)的興起，行業(yè)可能遭受的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。文章原載于2019年7月的《質(zhì)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(zhì)量協(xié)會(huì)的內(nèi)容主管。

謝菲爾德大學(xué)的先進(jìn)制造研究

謝菲爾德大學(xué)是一所被英國高等教育統(tǒng)計(jì)局（HESA）評(píng)為在工程研究方面收入和投資最多的英國大學(xué)。2017～2018年，謝菲爾德大學(xué)與世界各地許多組織合作，通過工程研究創(chuàng)造了1.24億英鎊的收入。謝菲爾德大學(xué)的工程研究由先進(jìn)制造研究中心（AMRC）及工程學(xué)院負(fù)責(zé)，研究范圍涵蓋制造業(yè)、航空航天、汽車及能源等行業(yè)。

謝菲爾德大學(xué)最近宣布成立了三個(gè)耗資數(shù)百萬英鎊的新研究中心，旨在提升該校作為先進(jìn)工程和工業(yè)數(shù)字技術(shù)中心的聲譽(yù)。這三個(gè)中心分別是羅伊斯轉(zhuǎn)化中心（RTC）、檢驗(yàn)和確認(rèn)實(shí)驗(yàn)室（LVV）以及民用和基礎(chǔ)設(shè)施集成研究中心（ICAIR），由謝菲爾德大學(xué)、歐洲區(qū)域發(fā)展基金（ERDF）和英國的研究和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（UKRI）等提供資金支持。

《質(zhì)量世界》采訪了謝菲爾德大學(xué)的約翰?海科克教授和理查德?弗朗斯博士，以了解這三個(gè)新的研究中心是如何為不同的行業(yè)提供產(chǎn)品和工藝的測(cè)試。

約翰??？瓶私淌谑侵x菲爾德大學(xué)工程學(xué)院工程研究與創(chuàng)新系的主任，負(fù)責(zé)制定戰(zhàn)略，并為該系的七個(gè)研究領(lǐng)域劃分優(yōu)先級(jí)。他的職責(zé)還包括通過各種來源尋找融資機(jī)會(huì)。理查?弗朗斯博士是工程學(xué)院制造業(yè)研究高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理，負(fù)責(zé)協(xié)助學(xué)術(shù)界取得進(jìn)行制造業(yè)研究的資金。

《質(zhì)量世界》：目前先進(jìn)制造業(yè)最大的趨勢(shì)是什么？

理查德?弗朗斯：目前最大的趨勢(shì)之一是先進(jìn)制造業(yè)越來越多地使用數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)，通常被稱為工業(yè)4.0或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。制造商正在收集關(guān)于他們生產(chǎn)的產(chǎn)品和使用的工藝的數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建數(shù)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(jì)劃支持企業(yè)實(shí)施這些技術(shù)，英格蘭西北部的一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目正在幫助英國企業(yè)采用其中的一些技術(shù)。

《質(zhì)量世界》：與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)的挑戰(zhàn)有哪些？

理查德?弗朗斯：一些挑戰(zhàn)是了解要捕獲什么數(shù)據(jù)以及如何從數(shù)據(jù)中獲取價(jià)值。在采用數(shù)字技術(shù)方面存在一些挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于中小型企業(yè)來說，它們需要了解如何將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到自己的工作中。

先進(jìn)的制造技術(shù)對(duì)企業(yè)來說并不昂貴，AMRC的“工廠2050”有一個(gè)很棒的演示項(xiàng)目，展示了如何將這些技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)機(jī)器上。

《質(zhì)量世界》：謝菲爾德大學(xué)的三個(gè)研究中心在著手解決什么問題？

約翰??？瓶耍哼@些中心涉及不同的領(lǐng)域。從廣義上講，他們將工程領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究進(jìn)行轉(zhuǎn)化，與工業(yè)界合作解決產(chǎn)品或工藝中的問題，并創(chuàng)造新技術(shù)。RTC專注于先進(jìn)的金屬工藝，瞄準(zhǔn)航空航天和汽車行業(yè)的材料和制造挑戰(zhàn)。該中心還通過結(jié)合新材料和新方法來研究這些行業(yè)的輕量化解決方案，以形成工程結(jié)構(gòu)和組件。例如，勞斯萊斯公司已經(jīng)在輕量化和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件新材料的研發(fā)方面取得進(jìn)展。

LVV是一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)研究及測(cè)試機(jī)構(gòu)，可以重建不同測(cè)試規(guī)模的極端環(huán)境。該實(shí)驗(yàn)室獨(dú)創(chuàng)地將一個(gè)大型（3×2米）多軸振動(dòng)臺(tái)納入一個(gè)環(huán)境室。該機(jī)構(gòu)由大學(xué)機(jī)械工程系的動(dòng)力學(xué)研究小組領(lǐng)導(dǎo)，為包括能源、航空航天和汽車在內(nèi)的一系列工業(yè)部門提供支持。LVV的靈活性使小型電子元件的測(cè)試成為可能，從而能完成諸如汽車、衛(wèi)星和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等的組件測(cè)試。這些測(cè)試將確定組件是否會(huì)失敗，并預(yù)測(cè)組件的生命周期。這不是大學(xué)里傳統(tǒng)的項(xiàng)目，因?yàn)樗枰粋€(gè)大型的專用空間。

ICAIR專注于建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，包括地下基礎(chǔ)設(shè)施。例如，該中心從壽命和堅(jiān)固性方面研究輸水管道的極端環(huán)境。ICAIR建設(shè)了一個(gè)大型游泳池尺度的設(shè)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(jìn)行極限測(cè)試。作為該計(jì)劃的一部分，ICAIR還在開發(fā)利用群器人沿管道移動(dòng)的技術(shù)，利用聲傳感器和人工智能來檢測(cè)故障。檢測(cè)信號(hào)將被發(fā)送到地面，便于供水公司在故障蔓延到整個(gè)供水網(wǎng)絡(luò)之前進(jìn)行修復(fù)。約克郡水務(wù)公司和塞文特倫特等公司可以在將這些技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)之前對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

《質(zhì)量世界》：研究中心正在使用哪些其他技術(shù)？

約翰??？瓶耍哼@些中心有很多可擴(kuò)展的新設(shè)備。RTC專注于增材制造，將金屬（棒料）等材料變成粉末，進(jìn)而用于制造定制化金屬部件。他們也在關(guān)注諸如重復(fù)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(jié)構(gòu)和工程部件的重復(fù)批量生產(chǎn)。

理查德?弗朗斯：目前許多用于航空航天的材料都來自傳統(tǒng)工藝，如鑄造和鍛造，并不是為新工藝設(shè)計(jì)的，因此確實(shí)需要開發(fā)新材料。我們?cè)赗TC有一個(gè)垂直整合的研究工廠。它使我們能夠以適當(dāng)?shù)男∫?guī)模尺度創(chuàng)造新材料，從幾千克到幾十千克等。我們利用設(shè)備制造少量的金屬粉末，然后在新工藝（如增材制造）中進(jìn)行測(cè)試。對(duì)航空公司來說，開發(fā)一種新材料的成本會(huì)很高，但RTC允許公司做一些研究和小規(guī)模的可行性測(cè)試來降低這種投資的風(fēng)險(xiǎn)。我們可以提供廣泛的增材制造技術(shù)，包括粉末床和同步送粉技術(shù)。

《質(zhì)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(gè)許多材料逐層堆積的過程。最初是為原型開發(fā)所用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。它與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢(shì)，如具有更大的設(shè)計(jì)自由度以及能夠更有效地使用材料等。

《質(zhì)量世界》：你在質(zhì)量管理方面的背景對(duì)你目前的工作有什么幫助？

理查德?弗朗斯：我之前在質(zhì)量管理方面的經(jīng)驗(yàn)包括在制藥行業(yè)開發(fā)測(cè)試藥物的新方法等，這些方法需要遵循《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》。制藥行業(yè)的“設(shè)計(jì)質(zhì)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(jiān)控下處理不同的起始材料和不同的過程，從而產(chǎn)生不同的結(jié)果。為克服這些挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)“第一時(shí)間正確”制造是設(shè)于謝菲爾德的EPSRC未來制造中心的關(guān)鍵部分，在制造中會(huì)使用先進(jìn)的粉末工藝。

《質(zhì)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?？茖W(xué)和工程學(xué)的許多基礎(chǔ)研究與工業(yè)相結(jié)合。我們現(xiàn)在看到的知識(shí)交流，正發(fā)生在對(duì)這類轉(zhuǎn)化中心有相當(dāng)大需求的時(shí)候。這些中心基本上處于大學(xué)的基礎(chǔ)研究和工業(yè)的更高技術(shù)準(zhǔn)備水平之間的中間位置。對(duì)工業(yè)企業(yè)的好處是它們可以使用這些設(shè)施，并通過伙伴關(guān)系，加速開發(fā)它們的下一代產(chǎn)品。

《質(zhì)量世界》：這幾個(gè)中心未來有什么計(jì)劃？

約翰??？瓶耍何覀兎浅ＯＭ谥R(shí)交流、創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化方面進(jìn)行更多的投資。我們正與地區(qū)企業(yè)和大型跨國組織建立伙伴關(guān)系，以確保這三個(gè)中心取得成功。另一個(gè)重點(diǎn)是提高能源效率和清潔能源技術(shù)，包括傳統(tǒng)燃料和碳利用、能源儲(chǔ)存和核能。

理查德?弗朗斯：在工程學(xué)院，我們開展了一系列的制造研究活動(dòng)。我們與全英國的研究中心合作，包括先進(jìn)粉末、機(jī)器人和自動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、半導(dǎo)體、光子學(xué)、計(jì)量學(xué)和制藥等。我們?cè)敢馀c行業(yè)伙伴合作，找出他們面臨的挑戰(zhàn)并提供幫助。

密歇根州制造技術(shù)中心

密歇根州制造技術(shù)中心是一家非營利性企業(yè)管理咨詢公司，為美國密歇根州的中小型制造企業(yè)提供幫助。質(zhì)量項(xiàng)目經(jīng)理安迪?尼科爾斯幫助公司貫徹國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，采用質(zhì)量工具，解決問題和逐層實(shí)施過程審計(jì)，并提供質(zhì)量保證和改進(jìn)方面的咨詢和培訓(xùn)。

《質(zhì)量世界》就如何利用質(zhì)量管理幫助制造商改進(jìn)過程，以及如何發(fā)揮質(zhì)量改進(jìn)與先進(jìn)制造相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，對(duì)尼科爾斯進(jìn)行了采訪。

《質(zhì)量世界》：在密歇根州，你們?nèi)绾卫觅|(zhì)量管理幫助中小型制造企業(yè)？

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(zhì)量以及如何獲得一致的結(jié)果。我們使用質(zhì)量管理來生成關(guān)于為什么過程不能按計(jì)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(jìn)。

《質(zhì)量世界》：當(dāng)人們看到這些過程改進(jìn)時(shí)，他們是否意識(shí)到在業(yè)務(wù)中應(yīng)用質(zhì)量保證和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要性？

安迪?尼科爾斯：當(dāng)然。我最近與一家生產(chǎn)賽車散熱器的小公司合作。他們過去采用檢測(cè)零件的方法，這些零件在出廠時(shí)都是好的，但是他們不知道這些零件經(jīng)歷了多少次返工，或者在組裝時(shí)遇到了多少次修理問題。收集數(shù)據(jù)后，我們發(fā)現(xiàn)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(zhì)量世界》：先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)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(gè)項(xiàng)目，讓中小企業(yè)更容易接觸到工業(yè)4.0計(jì)劃。我們有一個(gè)制造工廠，用來展示工業(yè)4.0和先進(jìn)制造技術(shù)的多個(gè)不同方面。當(dāng)我們向人們展示這些進(jìn)步時(shí)，我們得到的最多反饋之一是：它們實(shí)施起來并不像預(yù)期的那么昂貴。

例如，在設(shè)備上安裝傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）來驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)分析，將為管理層實(shí)時(shí)提供關(guān)于生產(chǎn)率的更好想法，并在第一時(shí)間做出正確的決定。使用機(jī)器人也是有益的，因?yàn)檫@些機(jī)器更具有一致性。例如，它們不會(huì)因?yàn)槠诙绊戀|(zhì)量。隨著自動(dòng)化的發(fā)展，我們現(xiàn)在更關(guān)注開發(fā)“合作機(jī)器人”——即我們所說的“3D（骯臟、乏味或危險(xiǎn)）”類型的機(jī)器。沒有人愿意做這些工作，但機(jī)器可以做得很好。

《質(zhì)量世界》：你認(rèn)為未來的質(zhì)量管理會(huì)是怎樣的？

安迪?尼科爾斯：有些人仍然持有20世紀(jì)的觀點(diǎn)，認(rèn)為質(zhì)量更多的是一種檢驗(yàn)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(gè)問題：你真的需要做任何檢驗(yàn)嗎？當(dāng)然，檢驗(yàn)是可以自動(dòng)化的。我確實(shí)認(rèn)為，在未來，質(zhì)量專業(yè)人士的角色將更多地與客戶服務(wù)有關(guān)，而且在過程的更早階段，將在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面上扮演更重要的角色——更多地與規(guī)劃相關(guān)。

《質(zhì)量世界》：先進(jìn)制造給質(zhì)量專業(yè)人士帶來了什么挑戰(zhàn)？

安迪?尼科爾斯：和其他事情一樣，我認(rèn)為哪里有變化，哪里就有恐懼——不管是對(duì)潛在失業(yè)的恐懼還是對(duì)未知的恐懼。在我看來，質(zhì)量專業(yè)人士應(yīng)該尋求機(jī)會(huì)來掌控企業(yè)的正確領(lǐng)域，從而最有效地避免問題發(fā)生。