數(shù)字孿生連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的橋梁

產(chǎn)品制造的基本前提是把任務(wù)分為兩類：(1) 最高效地利用物理資源和 (2) 浪費(fèi)物理資源。精益制造使制造商能夠縮短生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部所用的時(shí)間以及供應(yīng)商和客戶的響應(yīng)時(shí)間。工業(yè)4.0 通過縮短發(fā)現(xiàn)問題和實(shí)時(shí)解決問題之間的時(shí)間，提高了效率。這些因素和相關(guān)的進(jìn)步提高了生產(chǎn)效率，但對速度、質(zhì)量、低成本和定制的需求不斷增加，又促使制造商尋找新的方法來滿足這些需求。

設(shè)計(jì)可制造性是設(shè)計(jì)產(chǎn)品以使其能夠高效制造的一般工程實(shí)踐。數(shù)字孿生 (DT) 的使用正在成為彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和制造之間鴻溝的解決方案，具有大幅提高效率和減少浪費(fèi)的長期潛力。

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1 設(shè)計(jì)和制造之間的鴻溝

即便在今天，有著先進(jìn)的工程和制造能力，產(chǎn)品設(shè)計(jì)良好但卻無法制造也是很常見的。比如，設(shè)計(jì)可能指定在隔間之間設(shè)置2cm 的墻以滿足苛刻的環(huán)境要求，但制造商可能無法制造這種厚度的合金，或無法使用設(shè)計(jì)指定的合金。同樣，設(shè)計(jì)可能指定一根帶有凹槽的鋼筋，要求使用減材方法進(jìn)行制造，但制造商只能通過將兩根鋼筋焊接在另一根鋼筋上來形成凹槽。類似這種潛在的可制造性問題幾乎無窮無盡。

部分問題是在于，設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)成為了產(chǎn)品生命周期中的獨(dú)立階段，每個(gè)階段都有自己的要求和信息。與其說可制造性是工程設(shè)計(jì)的一部分，不如說團(tuán)隊(duì)和流程是分開且按順序進(jìn)行的，設(shè)計(jì)師無法全面了解他們所需的制造能力、限制和要求。

制造設(shè)計(jì)指南有助于解決這個(gè)問題，但它們并不是萬能的。與產(chǎn)品生命周期的其他方面一樣，各種指南和最佳實(shí)踐也在不斷發(fā)展，以滿足快速變化的客戶需求。

另外，設(shè)計(jì)中使用的現(xiàn)有組件和產(chǎn)品可能已不可用或已經(jīng)過時(shí)。

產(chǎn)品建模和仿真工具都有相當(dāng)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，但在可制造性方面也有限制。通過模擬復(fù)制當(dāng)前狀態(tài)下的產(chǎn)品，會限制設(shè)計(jì)師在不構(gòu)建額外模型的情況下測試不同配置、組件和材料的能力。即便是匯總的模擬數(shù)據(jù)也是植根于測試歷史，模擬結(jié)果可能并不準(zhǔn)確，因?yàn)槿斯ぽ斎牒图僭O(shè)是模擬方程的一部分。

因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能會滿足功能要求，但最終卻無法制造 — 或者至少無法以滿足成本或交付要求的方式制造。因此，為了解決可制造性問題，設(shè)計(jì)師和制造商之間要進(jìn)行長時(shí)間的來回交流，甚至在生產(chǎn)開始之前就浪費(fèi)了大量資源。

2 數(shù)字孿生：通往可制造性的橋梁

過去幾年間，數(shù)字孿生 (DT) 在航空航天、汽車、造船、石油鉆井和醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)行業(yè)的使用均有所增加。DT 的理念是在物理環(huán)境中完成任何工作之前，能夠使用虛擬現(xiàn)實(shí)來設(shè)計(jì)、測試、制造和支持產(chǎn)品。

DT是物理對象和實(shí)時(shí)過程的數(shù)字對應(yīng)物。數(shù)字孿生是一種計(jì)算機(jī)程序，根據(jù)真實(shí)世界的數(shù)據(jù)來模擬產(chǎn)品或過程的執(zhí)行。數(shù)據(jù)科學(xué)家、工程師和IT 專業(yè)人員可以運(yùn)行具有成本效益的模擬，以優(yōu)化物理資產(chǎn)的狀態(tài)，預(yù)測其對變化的響應(yīng)，或改善運(yùn)營。此外，還可以利用DT 在對象或過程的設(shè)計(jì)早期階段發(fā)現(xiàn)潛在缺陷。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)和軟件分析都可以用來增強(qiáng)DT 的輸出。產(chǎn)品圖紙和工程規(guī)范已經(jīng)從手工繪制發(fā)展到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，再到基于模型的系統(tǒng)，和現(xiàn)在的DT。

在跨越整個(gè)產(chǎn)品生命周期的許多效率提升方法中，DT 可以無縫銜接設(shè)計(jì)和制造，這是其他解決方案或解決方案組合無法做到的。DT 原型 (DTP) 類似于一個(gè)產(chǎn)品配方，包含將成為一個(gè)完整產(chǎn)品的所有設(shè)計(jì)部分，只是采用的是數(shù)字形式，其中包括產(chǎn)品的真實(shí)屬性、特性、物理性質(zhì)、計(jì)算流程、操作參數(shù)、測試程序、材料清單和制造工藝清單。

DTP 是所開發(fā)產(chǎn)品的最現(xiàn)實(shí)表示，可以在不同粒度級別（零件、產(chǎn)品或整個(gè)系統(tǒng)級別）對其進(jìn)行處理和操作。結(jié)果是關(guān)于可制造性的詳細(xì)程度，使設(shè)計(jì)師能夠考慮兩個(gè)功能領(lǐng)域之間的許多相互依賴性。而且，DTP 的算法引擎可以推斷設(shè)計(jì)、材料和組件的變化如何影響可制造性，因此無需多個(gè)物理原型。

DT 還可以對制造過程進(jìn)行建模，并幫助指導(dǎo)能影響制造的設(shè)計(jì)決策。例如，DT 可以從成本、功能和耐久性的角度來確定增材還是減材工藝更好。它們可以進(jìn)一步表示用于制造完整產(chǎn)品的各種工藝 — 注塑、拉削、車削、機(jī)加工或任意數(shù)量的其他工藝。要使增材制造成為主導(dǎo)制造工藝，DT 是一項(xiàng)核心要求。

最后，DT 不僅可以彌合當(dāng)今設(shè)計(jì)和制造之間的鴻溝，還可以架起通往未來需求的橋梁。例如，今天的客戶要求將產(chǎn)品選項(xiàng)和個(gè)性化作為核心產(chǎn)品的一部分，這在制造裝置、材料庫存、上市時(shí)間等方面就帶來了額外的制造難題。在初始或后續(xù)設(shè)計(jì)階段，可以生產(chǎn)多少DT 沒有限制。而且，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期獲得的信息可以用于確定未來的定制和個(gè)性化產(chǎn)品，及其可制造性。

3 未來展望

工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的鴻溝甚至在制造開始之前就可能導(dǎo)致大量浪費(fèi)。DTP 在消弭這些鴻溝，以及針對制造及其他目的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面擁有巨大潛力。創(chuàng)建DT 并不便宜，但信息成本仍然遠(yuǎn)低于創(chuàng)建多個(gè)物理原型或試錯(cuò)制造的成本。為了滿足對優(yōu)質(zhì)、快速、便宜的定制化產(chǎn)品日益增長的需求，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期使用DT 將是滿足未來制造需求的唯一途徑。

（本文由貿(mào)澤電子供稿）

（本文來源于EEPW 2023年9月期）