2016-4-15

知物學院

以“工業再設計”為源頭 重塑中國裝備制造產業生態

  在裝備制造行業,我們一直提倡綠色制造。

  那么何為綠色制造呢?按照百度搜索到的定義,綠色制造又稱環境意識制造,是一個綜合考慮環境影響和資源效益的現代化制造模式,其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中,對環境的影響(負作用)最小,資源利用率最高,并使企業經濟效益和社會效益協調優化。

  但長期以來,工業產品的源頭設計卻是基于已有工藝來定型的。由于工藝的限制,在加工和安裝方面有不可突破的障礙,更難以釋放工程師設計潛能,影響產品創新步伐。

  此外,當前的機械產品必須由大量的零部件裝配、焊接或鉚接而成。這種組合形態對產品的性能、可靠性、重量、體積、載重、材料、動力、成本、能耗、環保等方面都具有負面影響。如:鑄造工藝屬于“長流程”工藝,整個工藝過程中有近30個環節,而每個環節中還包含設計、裝備、工裝、材料、工藝等因素組合,累計下來的控制點可達到150個以上,過多的控制因素非常容易產生累計的質量誤差,因而易于產生缺陷、質量不穩定、工序復雜等問題,傳統工藝難以在需要高度精密、高機械性能的產品制造過程中作為主要工藝流程進行采用。

  新系統方法論

  不可否認,企業的發展歷程中,逆向設計是必須經歷的一個階段,即消化引進吸收,跟蹤仿制出相關產品,獲取市場空間。

  然而僅靠跟蹤仿制,注定陷入“引進—落后—再引進”的死循環。當外來的技術供給和市場格局發生變化時,企業將不堪一擊。只有尋求超越的企業才可以成為業內的常青樹,而依賴“系統思維”的“正向設計”將是解決之道。

  系統思維強調根據概念、性質、關系和結構,把對象有機組織起來,研究系統的功能和行為,著重從整體上去揭示系統內部各元素之間以及系統與環境的多種多樣的關系。圖1描述了產品的需求、功能、結構和行為之間的關系。結構是功能的載體,行為是結構的效應,功能是行為的抽象,這是功能—結構—行為之間的客觀關系。

  2015年,“工業再設計”一詞被人提及,其本質核心是工業仿真應用的升華、正向設計技術的工程化,是先進設計技術與精密制造工藝的結合。在提高工業品性能、升級產品的同時,使其走向集成化、輕量化、智能化。

  據“工業再設計”理論發起方———安世亞太科技股份有限公司負責人田鋒介紹,“工業再設計”是從產品需求源頭開始,涵蓋需求開發、功能分析、系統設計、物理設計、工藝試制、試驗驗證等產品設計完整過程,并進行突破性、架構性、超越性和顛覆式的創新產品設計,真正形成我國工業企業的自主研發能力,增強企業的競爭力和生存力,促進以創新驅動的企業成長模式。其“基于仿真和優化設計的數字技術”的設計細節創新及“精密成型技術”制造過程的創新組成一個完整的創新驅動研制過程,能夠很好實現要素驅動向創新驅動的轉變。

  具體來說,整體流程共分為追根溯源、創新優化和物理試驗三個重要環節。

  首先是追根溯源,獲取設計指標和邊界條件。再設計的初級階段是基于對結構的當前認知,通過試驗或仿真手段獲取邊界條件和指標數據,進行產品再設計。成熟以后,可以追溯產品原始需求,利用正向設計過程獲取邊界條件和指標數據,進行深層級再設計。

  其次四創新優化。借助設計創新、參數優化、拓撲優化和虛擬試驗技術等手段開展創新設計和驗證。在設計的過程中,工程師完全可以打破工藝的束縛,依靠無論產品結構怎樣復雜皆可制造出來的理念,釋放出巨大的設計潛能,他們可以只專注于需求,可以設計任何結構的產品,而不需要考慮制造工藝的局限。工藝束縛的消失帶來產品設計與生產之間藩籬的傾覆,設計與制造一體化工業產品設計體系將建立,傳統的產品設計模式將被根本性地顛覆,產品設計將可以真正實現仿真驅動。

  最后是利用精密制造和物理試驗技術,對創新性設計方案進行確認和迭代。在精密制造技術的支撐下,可實現快速迭代,盡快實現再設計定型,以及推出最終的創新性產品。工業再設計的整體流程如圖2所示。

  影響幾何?

  田鋒說,多年的研究表明,80%的資源消耗和環境影響取決于產品設計階段。因此,綠色設計是促進工業綠色轉型發展的最關鍵環節和最重要舉措。

  工業再設計將徹底摒棄“傻大黑粗”式依賴資源消耗、依賴低成本競爭、依賴高能耗高排放的制造方式。通過精益設計改良產品基因,通過精密制造改良產品可靠性,從而提高制造業的質量效益;精密制造通過節省原材料、基本零排放實現環境友好的綠色制造。實現由低成本競爭優勢向質量效益競爭優勢的轉變,實現由資源消耗大、污染排放物多的粗放制造向綠色制造的轉變。

  “工業再設計將解決工業產品在研發和制造過程中的核心問題。目前,國內已有相關企業開展實踐,并取得了極大成效?!碧鋟娼檣芩?,安世亞太主導的工業再設計合作伙伴體系可以成為各類工業產品研制企業在研發和零部件/整機生產方面的外包商,企業可以更加集中精力于產品前期的市場開拓與后期的客戶服務工作中,實現分散化研發資源、制造資源的整合和各自核心競爭力的高度協同,可以成功實現由生產型制造向服務型制造的轉變。

  在他看來,《中國制造2025》戰略的推進勢必將加快企業角色進程轉變,其為戰略中明確提出:提高國家制造創新能力、推進信息化與工業化深度融合、強化工業基礎能力,加強質量品牌建設、全面推行綠色制造、大力推動重點領域突破發展、深入推進制造業結構調整、積極發展服務型制造和生產性服務業、提高制造業國際化發展水平這九項戰略任務和重點。

  我們認為,工業再設計是對這些戰略任務將提供有力的支撐和保障。工業再設計體系當前至少可以在高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農業機械裝備七個領域發揮重要作用。

  而在他看來,工業再設計的思維是對過去設計理念的一次升華。因為,設計確定了工業品的基因,工藝和制造塑造了工業品的體格。而過去一度基于“測繪仿制的逆向設計”和“引進消化”的照抄模式,造成了我國從學術界到工業界極少形成基于系統思維和功能觀點的產品正向設計和創新設計方法學的理論和實踐,從而造成設計與工藝、設計與制造之間的各自為政、脫節嚴重,互相對立關系。

  “現在我們都提倡綠色制造,但實質上,綠色設計是綠色制造的前提,它是基于產品自主設計能力的,而中國工業自主設計能力不足,特別是創新型正向設計能力不足,跟蹤研仿的模式很難建立綠色設計意識和能力,導致綠色設計能力基因性缺乏?!?/p>

  田鋒說,我國制造業過去的發展方式比較粗放,能源資源利用效率偏低、環境污染嚴重。從單位工業增加值能耗看,我國單位工業增加值能耗是美國的3.5倍、日本的5.3倍、英國的7.7倍、德國的8倍。而由于經濟發展水平、對外開放水平不高等因素制約,一些地區對綠色設計的價值和重要性認識仍處于模糊狀態。

  “這其中大有作為!”田鋒強調,安世亞太科技股份有限公司和蘇氏精密制造技術(北京)股份有限公司正在利用自身的技術優勢,并抓住這種優勢所帶來的機遇和契機,合作打造“中國工業再設計”體系,并且已經取得一定成果。如:某汽車生產企業,采用安世亞太精益研發體系技術對一款越野卡車的前橋進行了再設計,在原結構基礎上,將內部加筋處理,采用蘇氏精密鑄造技術整體成型,實現了將原來由78個鋼制零件焊接而成的前橋殼整體鑄造成一個鋁制零件,在不降低性能指標的前提下,減重達到63%,直接減少材料成本250元?!叭綣偕杓萍際跗占翱?,以中國每年生產2400萬輛汽車計,物耗成本減少可以達到每年60億元。由于材料要求降低、減少能耗、減少排放、節能環保等,該應用的綠色效益是節材效益的5倍之多?!?/p>

  “另外,再設計可以引發產品的突破性效能。航天某武器系統,通過再設計將殼體重量降低超過50%之后,在動力系統明顯落后的情況下,實現了該武器系統在航程、航速、精確性方面對仿制對象的全面超越??杉?,工業再設計將在工業強基和綠色制造等‘中國2025’戰略任務中發揮巨大作用?!?/p>

  任重道遠

  但毫無疑問,“工業再設計”的推廣過程中可能面臨觀念、標準和人才等制約因素。

  在觀念方面,“工業再設計”的順利實現往往是由于突破性新技術和新工藝的出現,再設計其實就是把握這些已有的新技術和工藝,促使其快速向成果轉化。

  因此面對創新,傳統產業可能因為觀念滯后不愿沖破原有的企業結構和思想觀念,接收顛覆性創新特別是在產品生命周期的成熟期,整個企業不愿意放棄業已形成的優勢,將處于惰性狀態,缺少創新所需的內部條件。

  此次在標準方面,由于采用工業再設計可以實現將一個部件取代若干個零部件,原有零散部件的生產標準面臨失效,單個一體化部件的非標問題在設計環節中是不容易被接收的。在人才方面,從事工業產品設計的人員對正向設計、精益研發、綠色制造等理念的認知接收程度和實踐機會也大大影響工業再設計推廣應用的步伐。

  不過這些桎梏工業創新的理念因素隨著國家對工業結構調整升級進程深入,會逐步減弱從反方成為支持者,成為中國工業創新的新動力,在整個工業生態圈形成正反饋的良性循環,并最終產生快速優化迭代達到最優狀態。

  田鋒建議“中國工業再設計專家委員會”,構建面向“中國制造2025”重點戰略任務的工業再設計體系和公共服務平臺,圍繞各個產業和細分領域的需求,開展工業再設計的標準建設、人才培訓和行業交流等工作和服務。

  并從市場上不斷獲取改進意見和新的需求,開始新的正向設計研發、工業仿真、物理驗證、工藝定型、批量專業生產和整機總成等循環,從研究用戶需求出發,到滿足用戶需求結束,打造工業再設計生態圈。