制造业中的颠覆性技术

（孟昭青 编译）

编者按

本文通过对谢菲尔德大学工程学院工程研究与创新系主任约翰•海科克教授和密歇根州制造技术中心质量项目经理安迪•尼科尔斯（A ndy Nichols）的访谈，介绍了制造业中先进的创新技术，以及如何将其用于工业以及应对未来的挑战。文中还介绍了随着先进制造业的兴起，行业可能遭受的网络安全风险。文章原载于2019年7月的《质量世界》。作者艾丽西亚•迪马斯（Alicia Dimas）和迪娜•帕特尔（Dina Patel）是英国特许质量协会的内容主管。

谢菲尔德大学的先进制造研究

谢菲尔德大学是一所被英国高等教育统计局（HESA）评为在工程研究方面收入和投资最多的英国大学。2017～2018年，谢菲尔德大学与世界各地许多组织合作，通过工程研究创造了1.24亿英镑的收入。谢菲尔德大学的工程研究由先进制造研究中心（AMRC）及工程学院负责，研究范围涵盖制造业、航空航天、汽车及能源等行业。

谢菲尔德大学最近宣布成立了三个耗资数百万英镑的新研究中心，旨在提升该校作为先进工程和工业数字技术中心的声誉。这三个中心分别是罗伊斯转化中心（RTC）、检验和确认实验室（LVV）以及民用和基础设施集成研究中心（ICAIR），由谢菲尔德大学、欧洲区域发展基金（ERDF）和英国的研究和创新机构（UKRI）等提供资金支持。

《质量世界》采访了谢菲尔德大学的约翰•海科克教授和理查德•弗朗斯博士，以了解这三个新的研究中心是如何为不同的行业提供产品和工艺的测试。

约翰•海科克教授是谢菲尔德大学工程学院工程研究与创新系的主任，负责制定战略，并为该系的七个研究领域划分优先级。他的职责还包括通过各种来源寻找融资机会。理查•弗朗斯博士是工程学院制造业研究高级业务发展经理，负责协助学术界取得进行制造业研究的资金。

《质量世界》：目前先进制造业最大的趋势是什么？

理查德•弗朗斯：目前最大的趋势之一是先进制造业越来越多地使用数字技术和数据，通常被称为工业4.0或工业物联网。制造商正在收集关于他们生产的产品和使用的工艺的数据，并创建数字化孪生体，以便建模和理解工艺，使之更有效地工作。英国政府正在通过“智能制造”计划支持企业实施这些技术，英格兰西北部的一个试点项目正在帮助英国企业采用其中的一些技术。

《质量世界》：与数字数据相关的挑战有哪些？

理查德•弗朗斯：一些挑战是了解要捕获什么数据以及如何从数据中获取价值。在采用数字技术方面存在一些挑战，特别是对于中小型企业来说，它们需要了解如何将数字技术应用到自己的工作中。

先进的制造技术对企业来说并不昂贵，AMRC的“工厂2050”有一个很棒的演示项目，展示了如何将这些技术应用到传统机器上。

《质量世界》：谢菲尔德大学的三个研究中心在着手解决什么问题？

约翰•海科克：这些中心涉及不同的领域。从广义上讲，他们将工程领域中的基础研究进行转化，与工业界合作解决产品或工艺中的问题，并创造新技术。RTC专注于先进的金属工艺，瞄准航空航天和汽车行业的材料和制造挑战。该中心还通过结合新材料和新方法来研究这些行业的轻量化解决方案，以形成工程结构和组件。例如，劳斯莱斯公司已经在轻量化和发动机零部件新材料的研发方面取得进展。

LVV是一个独特的动力学和声学研究及测试机构，可以重建不同测试规模的极端环境。该实验室独创地将一个大型（3×2米）多轴振动台纳入一个环境室。该机构由大学机械工程系的动力学研究小组领导，为包括能源、航空航天和汽车在内的一系列工业部门提供支持。LVV的灵活性使小型电子元件的测试成为可能，从而能完成诸如汽车、卫星和风力涡轮机叶片等的组件测试。这些测试将确定组件是否会失败，并预测组件的生命周期。这不是大学里传统的项目，因为它需要一个大型的专用空间。

ICAIR专注于建设基础设施，包括地下基础设施。例如，该中心从寿命和坚固性方面研究输水管道的极端环境。ICAIR建设了一个大型游泳池尺度的设施，人们可以把水管埋在几米深的土壤下面。然后将管道暴露在不同的外力下，进行极限测试。作为该计划的一部分，ICAIR还在开发利用群器人沿管道移动的技术，利用声传感器和人工智能来检测故障。检测信号将被发送到地面，便于供水公司在故障蔓延到整个供水网络之前进行修复。约克郡水务公司和塞文特伦特等公司可以在将这些技术应用于网络之前对其进行测试。

《质量世界》：研究中心正在使用哪些其他技术？

约翰•海科克：这些中心有很多可扩展的新设备。RTC专注于增材制造，将金属（棒料）等材料变成粉末，进而用于制造定制化金属部件。他们也在关注诸如重复使用和再生性等问题，例如怎样的可再生粉末形式能用于结构和工程部件的重复批量生产。

理查德•弗朗斯：目前许多用于航空航天的材料都来自传统工艺，如铸造和锻造，并不是为新工艺设计的，因此确实需要开发新材料。我们在RTC有一个垂直整合的研究工厂。它使我们能够以适当的小规模尺度创造新材料，从几千克到几十千克等。我们利用设备制造少量的金属粉末，然后在新工艺（如增材制造）中进行测试。对航空公司来说，开发一种新材料的成本会很高，但RTC允许公司做一些研究和小规模的可行性测试来降低这种投资的风险。我们可以提供广泛的增材制造技术，包括粉末床和同步送粉技术。

《质量世界》：你如何描述增材制造？

理查德•弗朗斯：增材制造或更广为人知的3D打印，是一个许多材料逐层堆积的过程。最初是为原型开发所用，现在广泛应用于制造业。它与传统制造技术相比具有许多优势，如具有更大的设计自由度以及能够更有效地使用材料等。

《质量世界》：你在质量管理方面的背景对你目前的工作有什么帮助？

理查德•弗朗斯：我之前在质量管理方面的经验包括在制药行业开发测试药物的新方法等，这些方法需要遵循《药品生产质量管理规范》。制药行业的“设计质量”方法与RTC采用的粉末工艺方法有一些相似之处，都是在有限的监控下处理不同的起始材料和不同的过程，从而产生不同的结果。为克服这些挑战，实现“第一时间正确”制造是设于谢菲尔德的EPSRC未来制造中心的关键部分，在制造中会使用先进的粉末工艺。

《质量世界》：自2018年10月中心成立以来，你有何感悟？

约翰•海科克：我们希望确保科学和工程学的许多基础研究与工业相结合。我们现在看到的知识交流，正发生在对这类转化中心有相当大需求的时候。这些中心基本上处于大学的基础研究和工业的更高技术准备水平之间的中间位置。对工业企业的好处是它们可以使用这些设施，并通过伙伴关系，加速开发它们的下一代产品。

《质量世界》：这几个中心未来有什么计划？

约翰•海科克：我们非常希望在知识交流、创新和转化方面进行更多的投资。我们正与地区企业和大型跨国组织建立伙伴关系，以确保这三个中心取得成功。另一个重点是提高能源效率和清洁能源技术，包括传统燃料和碳利用、能源储存和核能。

理查德•弗朗斯：在工程学院，我们开展了一系列的制造研究活动。我们与全英国的研究中心合作，包括先进粉末、机器人和自动系统、电机、半导体、光子学、计量学和制药等。我们愿意与行业伙伴合作，找出他们面临的挑战并提供帮助。

密歇根州制造技术中心

密歇根州制造技术中心是一家非营利性企业管理咨询公司，为美国密歇根州的中小型制造企业提供帮助。质量项目经理安迪•尼科尔斯帮助公司贯彻国际质量标准，采用质量工具，解决问题和逐层实施过程审计，并提供质量保证和改进方面的咨询和培训。

《质量世界》就如何利用质量管理帮助制造商改进过程，以及如何发挥质量改进与先进制造相结合的优势，对尼科尔斯进行了采访。

《质量世界》：在密歇根州，你们如何利用质量管理帮助中小型制造企业？

安迪•尼科尔斯：许多公司信息不是很丰富，他们不太了解过程质量以及如何获得一致的结果。我们使用质量管理来生成关于为什么过程不能按计划工作的信息。然后，我们就可以为他们提供工具来纠正问题并做出改进。

《质量世界》：当人们看到这些过程改进时，他们是否意识到在业务中应用质量保证和质量标准的重要性？

安迪•尼科尔斯：当然。我最近与一家生产赛车散热器的小公司合作。他们过去采用检测零件的方法，这些零件在出厂时都是好的，但是他们不知道这些零件经历了多少次返工，或者在组装时遇到了多少次修理问题。收集数据后，我们发现他们可以更好地判断在过程中的什么地方出了问题，从而降低成本。

《质量世界》：先进制造技术对这些公司有什么好处？

安迪•尼科尔斯：我们正在美国牵头一个项目，让中小企业更容易接触到工业4.0计划。我们有一个制造工厂，用来展示工业4.0和先进制造技术的多个不同方面。当我们向人们展示这些进步时，我们得到的最多反馈之一是：它们实施起来并不像预期的那么昂贵。

例如，在设备上安装传感器，通过物联网（IoT）来驱动数据分析，将为管理层实时提供关于生产率的更好想法，并在第一时间做出正确的决定。使用机器人也是有益的，因为这些机器更具有一致性。例如，它们不会因为疲劳而影响质量。随着自动化的发展，我们现在更关注开发“合作机器人”——即我们所说的“3D（肮脏、乏味或危险）”类型的机器。没有人愿意做这些工作，但机器可以做得很好。

《质量世界》：你认为未来的质量管理会是怎样的？

安迪•尼科尔斯：有些人仍然持有20世纪的观点，认为质量更多的是一种检验功能。今天，通过良好的过程控制和去除人的变量，它提出了一个问题：你真的需要做任何检验吗？当然，检验是可以自动化的。我确实认为，在未来，质量专业人士的角色将更多地与客户服务有关，而且在过程的更早阶段，将在战略和战术层面上扮演更重要的角色——更多地与规划相关。

《质量世界》：先进制造给质量专业人士带来了什么挑战？

安迪•尼科尔斯：和其他事情一样，我认为哪里有变化，哪里就有恐惧——不管是对潜在失业的恐惧还是对未知的恐惧。在我看来，质量专业人士应该寻求机会来掌控企业的正确领域，从而最有效地避免问题发生。