數字孿生連接產品設計與制造的橋梁

產品制造的基本前提是把任務分為兩類：(1) 最高效地利用物理資源和 (2) 浪費物理資源。精益制造使制造商能夠縮短生產系統(tǒng)內部所用的時間以及供應商和客戶的響應時間。工業(yè)4.0 通過縮短發(fā)現問題和實時解決問題之間的時間，提高了效率。這些因素和相關的進步提高了生產效率，但對速度、質量、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。

設計可制造性是設計產品以使其能夠高效制造的一般工程實踐。數字孿生 (DT) 的使用正在成為彌補設計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的長期潛力。

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1 設計和制造之間的鴻溝

即便在今天，有著先進的工程和制造能力，產品設計良好但卻無法制造也是很常見的。比如，設計可能指定在隔間之間設置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，或無法使用設計指定的合金。同樣，設計可能指定一根帶有凹槽的鋼筋，要求使用減材方法進行制造，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，設計和制造已經成為了產品生命周期中的獨立階段，每個階段都有自己的要求和信息。與其說可制造性是工程設計的一部分，不如說團隊和流程是分開且按順序進行的，設計師無法全面了解他們所需的制造能力、限制和要求。

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

另外，設計中使用的現有組件和產品可能已不可用或已經過時。

產品建模和仿真工具都有相當先進的設計技術，但在可制造性方面也有限制。通過模擬復制當前狀態(tài)下的產品，會限制設計師在不構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據也是植根于測試歷史，模擬結果可能并不準確，因為人工輸入和假設是模擬方程的一部分。

因此，產品設計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，設計師和制造商之間要進行長時間的來回交流，甚至在生產開始之前就浪費了大量資源。

2 數字孿生：通往可制造性的橋梁

過去幾年間，數字孿生 (DT) 在航空航天、汽車、造船、石油鉆井和醫(yī)療設備等多個行業(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，能夠使用虛擬現實來設計、測試、制造和支持產品。

DT是物理對象和實時過程的數字對應物。數字孿生是一種計算機程序，根據真實世界的數據來模擬產品或過程的執(zhí)行。數據科學家、工程師和IT 專業(yè)人員可以運行具有成本效益的模擬，以優(yōu)化物理資產的狀態(tài)，預測其對變化的響應，或改善運營。此外，還可以利用DT 在對象或過程的設計早期階段發(fā)現潛在缺陷。人工智能、物聯網、工業(yè)4.0、大數據和軟件分析都可以用來增強DT 的輸出。產品圖紙和工程規(guī)范已經從手工繪制發(fā)展到計算機輔助設計，再到基于模型的系統(tǒng)，和現在的DT。

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

DTP 是所開發(fā)產品的最現實表示，可以在不同粒度級別（零件、產品或整個系統(tǒng)級別）對其進行處理和操作。結果是關于可制造性的詳細程度，使設計師能夠考慮兩個功能領域之間的許多相互依賴性。而且，DTP 的算法引擎可以推斷設計、材料和組件的變化如何影響可制造性，因此無需多個物理原型。

DT 還可以對制造過程進行建模，并幫助指導能影響制造的設計決策。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。它們可以進一步表示用于制造完整產品的各種工藝 — 注塑、拉削、車削、機加工或任意數量的其他工藝。要使增材制造成為主導制造工藝，DT 是一項核心要求。

最后，DT 不僅可以彌合當今設計和制造之間的鴻溝，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品選項和個性化作為核心產品的一部分，這在制造裝置、材料庫存、上市時間等方面就帶來了額外的制造難題。在初始或后續(xù)設計階段，可以生產多少DT 沒有限制。而且，在整個產品生命周期獲得的信息可以用于確定未來的定制和個性化產品，及其可制造性。

3 未來展望

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

（本文由貿澤電子供稿）

（本文來源于EEPW 2023年9月期）