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“機器人打鐵匠”重振美國制造業 | 美國新型工廠回歸

03-28 22:53:23

制造業技術與創新之間有著隱蔽而密切的聯系。技術狂人特斯卡CEO馬斯克認為,“機器制造機器”將推動促進了特斯卡的航天項目和汽車業務的發展。使用更便宜、可擴展的程序可以讓Space X低成本而高效地完成發射任務,這是美國宇航局的傳統制造方法無法相比的。

 

 

  圖1:特斯拉電動皮卡Cybertrunk


  還記得那個外形讓人吐槽的特斯卡電動皮卡  Cybertruck嗎?它同樣采用創新設計體系利用了一種簡化制造過程,廢除了“模具沖壓“,更有利于金屬件的彎曲和折疊。特斯拉電動皮卡Cybertrunk采用了超硬30倍冷軋不銹鋼打造車身。此材料強度過高,常規的沖壓方法會損害沖壓機,不能采用常規的車身生產方式,因此車身設計為平面化,沒有曲線。

  現在,一種被稱為“機器鍛造“的新方法,正在橫空出世,有可能徹底改變高質量構件的生產方式,從而生產定制和優化的新產品。

  減材、增材各有一弱

  各種高性能和安全性強的金屬零件廣泛應用于運輸、采礦、建筑和發電設備如渦輪發動機中,而其中大多數都是用幾十年來未變的經典制造工藝生產制造的。

  機加工,切割原材料獲得理想形狀;鑄造,將熔融金屬倒入模具;成型及鍛造,將金屬變形擠壓成新形狀。鑄造和鍛造成型通常需要定制模具,設計制造的時間成本和費用較高,但運行時生產效率也高;生產出的零件成本較低,并且具有高度的可復制性。這就是為什么螺母和螺栓便宜可靠。

  第二次世界大戰后不久,數字化生產使生產更便捷。通過計算機數控加工,從金屬塊中切割出各種形狀的零件。生產不同的組件只需簡單啟動一個新的計算機程序。計算機數控加工的一個普遍缺點是產出率低,例如一個1000磅的鈦塊可能被切割生產成僅100磅重的航空部件。雖然看似昂貴且浪費材料,卻無需投入新成本,籌備時間也較短。

  如今,人們對增材制造(3D打。┑牧慵a方式熱情高漲。。打印過程中,根據需要從計算機存儲的模型文件中選擇生成零件,每次疊加一層。傳統機械加工無法制作的形狀可以通過3D打印生產出來,例如,有內部冷卻通道的零件。這些技術有其優點,但也有缺點:生產出的零件通常強度或韌性不高,需要重新處理。而這也是非常浪費資源的事情。

  新物種:半是機器人半是鐵匠

  鐵匠像揉面團一般制造金屬器具,使它的結構更精細、更均勻,頗具力量。當這種材料成形時,它會產生方向性強度,就像木材沿著紋理的方向更強一樣。然而,沒有一位人類鐵匠能夠處理飛機起落架大小的部件,也難以批量制造出我們經濟發展所足夠的零件。

  機器鍛造打算改變這個局面。它正式名稱是變形制造(Metamorphic Manufacturing)。是目前正在發展的一種新的制造方法。它利用傳感器、熱控制、制動成型、機器人操作系統和計算系統精確鍛造金屬物件,模擬了人類鐵匠的技能和創造力。機器鍛造可以利用全新的數字能力擴展鐵匠打鐵的技術。金屬件反復漸進地在壓力機上準確定位并成型,形成零件。這種動力壓力機或錘敲系統,完全可以根據所需的形狀選擇合適的加工工具。

  據羿戓制造所了解,利用自動化的零件成型技術,和鐵匠打鐵的基本方法,機器可以比人類更高效地批量生產大零件。這種新的方法有可能高效和持續地制造飛機、船只、潛艇和機車內部的結構框架;蚩s小,生產出小型個性化的醫療植入物。

  這項技術的倡導者Glenn Daehn將其視作繼計算機數控及添加制造(3D打。┖蟮摹暗谌螖底种圃炖顺薄。機器鍛造打破了數控加工和添加制造的一些局限性,將鐵匠的熱機械變形與智能機器系統的高精度控制系統相結合。與數控加工相比,變形制造的成型技術可減少加工時的材料損失;與添加制造相比,變形制造的鍛造技術可以利用類型更廣泛的金屬材料并優化金屬的性能;此外,由于采用了開式模鍛,也可用機器鍛造系統代替閉式模鍛和相應模具來生產較大的鍛造部件(如飛機艙壁)。未來,該項技術有望應用于減少高強度的大型鋼制潛艇船體的焊縫、生產衛星等空間飛行器的部件、開發傳感器內嵌式無人駕駛運輸器、減少醫學成像設備(如磁共振成像和x射線計算機斷層成像設備)生產時的微粒生成等方面。

  變形制造 變形金剛

  2017年,俄亥俄州立大學一個本科生小組接受了政府資助的LIFT(未來輕量級創新)工程提出的25,000美元的挑戰,該獎是由美國制造業研究所LIFT和俄亥俄州設計與制造中心共同設立的,旨在將鐵匠的古老技能與數字時代的機器人技術結合起來,擴展材料成形能力,闡述機器鍛造的關鍵概念。

 

 

比賽的第一階段要求設計一臺機器可將粘土塑造成預定的形狀。為了更好地控制變形,他們在傳統的計算機數控銑床上增加了端部成型設備和相關軟件,使之可產生微小的變形增量,并以此制造了一個馬蹄鐵和一個支架,獲得第一名。該工藝可用于金屬零件的局部按需成形。

 

 

圖2:俄亥俄州立大學學生團隊作品成果


  當然,這只是一個好的開始。要將金屬加工成安全系數要求高的產品之前,還有很多研究、開發和產品設計需要完成。

  全面發展機器鍛造需要綜合技術。系統必須知道加工零件每個位置的材料的形狀、溫度和狀態。然后,為確保結構和性能無誤,它必須能夠控制溫度。在需要的地方,用計算機控制沖壓機擠壓零件,一點一點地使零件變形。通過學習如何制造先前的零件,計算機可以決定下一步如何移動和敲擊零件,以獲得更好的形狀和性能。

  從基礎技術到產業集群

  最近的一項研究表明,所有這些基礎技術都在迅速發展,最好地方法是將它們作為一種實用的制造技術迅速地融合在一起,從而發展產業集群。而最近幾十年來,技術集聚的案例往往出現在美國之外:個人電子制造業以中國深圳為中心,而先進的半導體設備則在新加坡落戶。早期的產業集聚是偶然的,而后期的產業集聚通常是深思熟慮后政策決定的結果。

  歷史表明,產業集聚的發源地可獲得長期的商業利益。底特律有汽車,硅谷有計算機,托萊多有玻璃制造,明尼阿波利斯也有醫療設備工程,而阿克倫則有聚合物工程。阿克倫曾經號稱“世界橡膠之都”,輪胎產業發達,但是由于制造業工廠遷出的影響,在20世紀80年代、90年代初陷入衰退,經濟下滑。幾十年來,當地的阿克倫大學不斷培養聚合物產業的科學家和工程師,大型輪胎企業建立了實驗室和相關基礎設施,提供了良好的人才培養模式和研究環境。

  這些從大學出來的技術和人才,重新找回了這個區域的產業方向。先前橡膠產業的技術工人再就業,成為發展聚合物產業的勞動力基礎。同時,阿克倫還建立了全球商業加速器,加速技術孵化,為企業技術創業提供場所、設施和項目資助。憑借先前的工業基礎,阿克倫快速發展了合成材料的開發能力,成功轉型成全球聚合物產業領導者。

  小記

  許多偉大技術誕生于美國,生產制造于其他地方。例如,許多智能手機的核心技術都是在美國的實驗室開發的,但生產線已經遍布世界各地。下一波創新浪潮很可能會著眼于人才培養和工廠技能改進。而機器鍛造,則給了美國成為領導者的機會。保持這種良性循環的核心是,回到工廠、發展工廠,讓機器制造機器。

 

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產品設計定位 中國制造業 制造業薪酬體系
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