工業4.0進行時：這三大變化將重塑製造業的未來
資本實驗室·今日創新觀察
聚焦前沿科技創新與傳統產業升級
王進
在過去，傳統的產品生產和銷售一直遵循這樣的流程：發現消費者需求——企業設計圖紙——製作原型——設計製造產品所需的工藝裝備——進行大規模生產——推向市場。
大規模機械化使得工廠在極短的時間內，即可製造出大量的產品，並改變了數十億人的工作與生活。
但傳統產品生產存在著諸如研發成本高、生產周期長、原材料利用率不足、產品可能會大量積壓等一系列問題。
Source: PHD Ventures, Inc.
今天，隨著互聯網與製造部門、消費者的深度融合，一切都在發生翻天覆地的變化：
一方面，企業獲取消費者信息的渠道更加簡單快捷，得以更快地了解消費者需求及市場變化。
另一方面，物聯網、感測器、3D列印、機器人、人工智慧等技術的應用，使工廠的生產、管理與運營更加智能化、自動化。
因此，產品從設計到大規模生產的流程正在因新技術的應用而發生變化，而以下三大變化將為製造業帶來根本性的變革：大規模定製、開放式創新與智能化工廠。這些變化也將是工業4.0最直接的體現。
1.大規模定製
因成本問題，個性化和定製化一直是傳統製造業難以施展的領域。而3D列印、人工智慧、新材料等新技術的融合將使企業可以規模化地生產個性化定製產品。
據預測，人工智慧只需將自動化生產轉向自定義配置產品，即可滿足不同消費者的多樣化需求。
3D列印將使得我們直接從設計轉到生產，並具有更強的適應性，得以加速數量級生產。
3D列印也將成為大規模定製化生產的最大驅動力，而通過結合大量的消費者數據以及人工智慧技術，定製化產品可以快速滿足市場需求。
目前，該技術正處於指數級增長階段。據統計，2015年，增材製造（俗稱3D列印）行業市場規模增長至近52億美元，價格在5000美元以內的3D印表機在全球銷量超過25萬台。據IDC預測，到2021年，全球3D列印行業的支出將達到近200億美元。
通過這一技術，並藉助新的設計軟體，我們可以定製符合解剖學標準的醫用支架、個性化牙科產品、改裝飛機和汽車零部件，並可以製造諸如感測器、藥物輸送系統和實驗室晶元應用領域的微型產品。
去年，Adidas與3D列印公司Carbon 3D合作推出了3D列印運動鞋，將運動員特定的數據和個人緩衝偏好通過3D列印技術融入到運動鞋中。
通過數字光合成（DLS）3D列印技術，Carbon 3D公司創紀錄地從液體材料中列印成品鞋，並很好的控制鞋子的彈性、比強度及其它產品屬性。更厲害的是，這一新的工藝能夠最大限度地減少設計流程和原型設計時間，從而直接進行生產，將產品生產周期縮短多達9倍。
3D列印的應用，不僅僅局限在小型商品製造上。2018年4月，荷蘭3D列印公司MX3D完成了世界首座3D列印鋼製橋樑，並即將安裝在阿姆斯特丹。
MX3D公司使用的六軸機器人手臂可以在空中從任何方向進行列印。這種多軸列印技術幾乎完全消除了傳統3D列印所需的某種物體支撐，為未來的新結構列印開闢了新的方向。
然而，3D列印技術並非該40米長的橋樑的唯一新技術。為確保這座橋樑的安全性和優化性能，3D列印鋼結構還配備了一系列感測器，可以監控自己的健康狀況，記錄下走過它的人數和速度，並測量空氣中污染物等數據，還能將收集的數據創建成一個數字橋樑模型，為以後的設計提供數據參考。
3D列印的應用還遠不止於此。在一個更微型的領域，也就是電子領域，3D列印同樣在開啟一個定製化和按需電子的新時代。
過去，電子產品生產時，需要手動嵌入電路。然而，通過3D列印技術，我們可以將導電油墨直接在產品中列印成電路，一次就可以完成。
例如，以色列電子3D列印公司Nano Dimension和美國3D列印公司Voxel8等初創公司正在使用導電油墨來列印電路。
通過3D列印技術列印出來的電路熱穩定性高，厚度僅有幾微米，所以不斷發展的導電油墨有可能為硬體生產帶來革命性變化。
總之，3D列印拋棄了冗長的設計環節、多階段原型設計、昂貴的工具和統一化的生產，從而可以大幅度降低生產成本，並將徹底改變傳統工業製造的生產流程。
2.開放式創新
傳統製造企業一般都遠離都市，在設計和研發產品方面費時耗力，且為了安全起見，只能在企業內部自行研發。
而隨著創新工廠、孵化器、製造設備實驗室的興起，城市正在成為傳統製造業的創新來源。無論是內部研發還是外包，從產品設計到生產技術，任何人都可以介入其中並參與發明。
在過去，我們談論「開放式創新」已經很多年，不少企業也已經通過這一模式獲得了可觀的成果。但受制於技術、社區等限制，開放式創新並未在更大範圍實現。而現在，真正的「開放式創新」正在到來。
在製造業中，當可訪問的用戶界面出現時，藉助類CAD設計軟體和易用的界面，每個人都可以成為發明家和技術創新者。技術開發也將真正呈現出指數級增長，「開放」將成為製造業的關鍵詞。
硬體工作室和企業孵化器的新生態系統正在城市中心興起。諸如初創企業孵化器Playground Global和開源3D列印公司LulzBot之類的公司正在不斷壯大，為自由創業者提供了優越的物理辦公空間和製造能力。
2015年，Android之父Andy Rubin聯合其他人成立了Playground Global孵化器，為初創企業提供包括業務、辦公空間以及機械設計的各種指導，並幫助他們解決材料、工程、製造、供應鏈管理、分銷等問題。
通過提供內部專業技術來交換小型股權，硬體生態系統實驗室Flex Lab IX幫助數十家創業公司構建變革性技術，例如無人機系統、超薄電池、智能頭帶等。
正如美國工業設備製造和工藝設計及測試供應商Bestronics的首席執行官Nat Mani所說：「我們越來越多地尋求與初創企業的合作，將其作為業務發展的一種形式，同時也要保持在新技術領域的領先地位。這些初創公司經常在嘗試我們需要知道的新事物。」
美國3D列印解決方案提供商3D Systems和工業級3D列印解決方案供應商Stratasys等行業巨頭也正在接受分散式製造這一新模式。
憑藉其連續構建3D演示器，Stratasys提供了一個模塊化3D印表機牆，所有印表機均通過雲端工作並進行集中控制。
風險投資基金Bolt則為那些進入Y Combinator和其他加速器的初創公司提供原型設備實驗室，並幫助他們開發產品。Kickstarter等眾籌平台也為創業者提供了初始融資服務。
隨著分散式製造和自動化製造成本的下降，未來開放式創新設計與研發將出現爆炸式增長，而傳統製造商的產品研發模式將受到非常大的挑戰。
3.智能化工廠
對於一家成熟的製造企業，工業物聯網、人工智慧、協作機器人和Li-Fi將是走向未來製造業必須具備的前沿技術。
智能工廠也將成為未來製造業的終極方向。隨著新型感測器、機器學習工具和檢測無人機等技術的應用，工廠設備不僅能夠立即自主糾正錯誤，生產過程也能實時滿足不斷變化的需求。
作為工業物聯網領域的領先企業，美國公司TE Connectivity設計和製造高度精密的連接器、感測器和電子元件。從醫療行業到家電行業，從航空航天到國防等領域，TE的產品實現了機器間的通信。
而在更偏僻的地區，機器對機器的通信尤為重要，因其可以允許在智能機器人之間分散傳輸數據。例如，區塊鏈物聯網初創公司Filament正在利用低功耗工業感測器和區塊鏈來推動該領域的發展。
物聯網通訊初創公司Kepler Communications則利用小型的衛星矩陣取代傳統衛星通訊，為偏遠地區的工廠實現工業物聯網設備之間的通訊。
智能感測器可以轉換數據，實現與製造設備間的通信，並在性能或安全受到威脅時關閉設備。工業物聯網也使得我們能夠分析生產配額，進行預測性維護並遠程輸入設計。
對於大型製造商而言，產品召回是最昂貴最可怕的災難，而人工智慧的應用，則可以將產品召回的風險降到最低。
矽谷人工智慧初創公司Landing.ai開發的用於生產線的機器視覺工具，可以發現人眼無法看到的電路板和產品中的細微缺陷。通過精確的現場質量分析，即時反饋錯誤，與工業物聯網相連的機器可以在發生任何損失之前暫停生產，從而避免進一步的損失。
Instrumental、Maana和Augury等創業公司通過收集和分析由物聯網生成的海量數據，使用機器學習技術來檢測設備和機器的異常與風險，並提前預警。
美國工業物聯網解決方案提供商Augury開發了一套完整的感測器套件，通過工業物聯網分析機器的聲音變化，以此發現機器的異常情況。
隨著雲連接、協作機器人能夠實現自主管理，未來的工廠將實現全自動化運行。
美國無人值守3D列印工廠Voodoo Manufacturing擁有世界首個功能齊全的、機器人操作的3D印表機群——Project Skywalker。這一系統通過專業軟體，將9台3D印表機和一個機械臂組合在一起。
該系統可以自動移除和更換一台3D印表機的構建板，然後繼續列印過程。而傳統生產中，移除和更換構建板需要佔用員工約15％的時間。
這一系統還可以實現24小時自動運行，無需人員監控。而通過大規模部署Skywalker，其位於布魯克林的工廠產能提高了400％。
這樣的技術與模式將徹底打亂傳統製造業的生產模式。
3D印表機、協作式3D印表機群、聯合機器人、管理3D印表機的機器人、構建機器人的3D印表機，所有的這些只不過是一個開始。
在未來，傳統製造的物理限制和空間限制將不再那麼重要，設計、生產將更加扁平化、更加開放。在此背景下，製造業巨頭和新興創業公司都將擁有前所未有的發展機遇。
（參考信息：awaken）
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