ASME:迈向工业4.0时代,数字孪生技术正在深刻改变制造业

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互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术迅速发展,对推动制造业数字化、网络化、智能化进程起到关键作用,IT和OT的融合越来越受到制造企业的重视,数字孪生应运而生。随着数字孪生基础设施的发展,智能制造工厂可以在虚拟环境中设计,验证,组装产品,并且能够落实到实际的生产中,打通上下游的供应链环节,实现生产过程的可视化控制,追踪产品质量并以此改进生产过程,极大的提高柔性制造的能力,实现各个行业整体的降本增效。
 
目前,数字孪生已经应用于众多行业,德国西门子、美国通用电气、美国参数技术、海尔等公司都进行了积极探索。根据德勤的估计,数字孪生的全球市场规模将会以38%的复合年均增长率持续增长,在2023年之前达到160亿美元。

对此,美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)分析了工业4.0背景下,数字孪生在智能制造领域的重要应用:

 

01.

产品设计

 

在设计阶段,可以创建产品原型的数字孪生,通过对数字孪生进行调试来测试不同的模拟或设计方案,在此基础上再打造产品原型。这样一来,就无须因为设计的调整而多次打造产品原型,可以有效节省时间和成本。西门子公司紧跟德国工业4.0和智能制造的发展趋势,近年来高度重视数字孪生技术的研究与应用探索。

2017年年底,西门子正式发布了完整的数字孪生应用模型,包括:数字孪生产品、数字孪生生产、数字孪生体绩效等,从而形成一个完整的解决方案体系。在车辆领域,西门子通过数字孪生将现实世界和虚拟世界无缝融合,通过产品的数字孪生,制造商可以对产品进行数字化设计、仿真和验证,包括机械以及其他物理特性,并且将电器和电子系统一体化集成。新的技术提供了新的汽车设计与制造模式,基于数字孪生制造商能够规划和验证生产过程、创造工厂布局、选择生产设备、仿真与预测,并优化人员和制造过程的工作条件。

 

 

 

02.

工艺优化

 

生产线上的传感器可用于创建工艺流程的数字孪生,并分析重要的性能指标。通过调整工艺流程的数字孪生,能够发现优化生产、减少误差的新方法,也能帮助进行根本原因分析。

例如,空中客车公司(简称“空客”)在飞机组装过程中使用数字孪生技术以提高自动化程度并缩短交货时间。为达到碳纤维增强基复合材料机身组装过程中减小剩余应力的目的,空客开发了应用数字孪生技术的大型配件装配系统,对装配过程进行自动控制以减小剩余应力。

 

 

 

03.

质量管理

 

在生产过程中,有效利用物联网传感器实时反馈的数据,就能够保证产品质量,消灭返工现象。通过利用数字孪生技术,可以对生产过程的每个环节行建模,找到出现问题的环节,或是找出可以优化材料和流程的环节。

 

04.

供应链管理

 

供应链和物流/分销公司利用数字孪生技术,追踪和分析包装性能、车队管理和路线效率等关键性能指标。此外,数字孪生技术也可以用来优化准时化顺序生产,并分析分销路线。

 
艾斯本技术有限公司(Aspen Tech)利用数字孪生技术提供供应链规划和维护解决方案。该公司的机器学习解决方案可以提前25天以上发出资产故障警告,提醒资产密集型行业的客户,提前规划资产维修时间,有效维护资产。

 

 

05.

预测性维护

 

设备维护部门可以构建设备或者生产流水线的数字孪生,监测设备或者流水线的性能状况,在严重问题发生之前就进行预防性维修或维护。设备维护部门还可以利用数字孪生来优化负载水平、工具校准和循环时间。

美国通用电气公司(GE)提出了数字风力发电厂的解决方案,通过收集和分析风电机组和风电厂所在地的风能资源数据,确定最佳的涡轮结构和风电厂布局。通过监控涡轮的性能和发电量,还可以进行预测性维护并优化运营。

 

 

简而言之,在制造领域,数字孪生可以应用于产品设计、生产、管理、维护的全生命周期,服务于企业生产制造、运营管控、客户关系、供应链的全方位管理体系,构建智能制造产业生态,赋能制造产业高质量发展。例如,基于影谱AI数字孪生平台,影谱科技和海尔智护共同构建家庭数智生态体系,把人工智能及数字化能力充分应用到智能制造、消费体验、数字化管理等多个环节,为智能家电和消费者搭建“数字桥梁”,推动该领域从硬件制造,向一体化用户服务平台和智能制造服务平台升级,加速数字经济与实体经济融合。

 

 

 

 

06.

数字孪生与制造业发展

 

各大企业纷纷开始采纳数字孪生技术,以期提高生产率并降低成本,在此背景下,数字孪生技术只会越来越受欢迎。国际市场研究机构Research and Markets在2020年的一项市场研究表明:

· 到2025年,高达89%的物联网平台将能够构建数字孪生;

· 到2027年,构建数字孪生将成为物联网的一个标准功能;

· 多个行业中近36%的高管已经了解数字孪生的价值,其中约一半的高管计划在2028年之前将数字孪生技术引入自己的业务场景。

 

 

随着物联网平台的建设,人们会获取越来越多的大数据,构建大型数字生态系统,构建和维护保真度高的数字孪生也会变得越来越容易,推进制造业数字化转型和工业智能化升级。展望未来,数字孪生正在成为工业制造的关键技术和重要场景。

 

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2021年9月24日 16:59
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