【導讀】設計可制造性是設計產(chǎn)品以使其能夠高效制造的一般工程實(shí)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(cháng)期潛力。
產(chǎn)品制造的基本前提是把任務(wù)分為兩類(lèi)：(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(chǎn)系統內部所用的時(shí)間以及供應商和客戶(hù)的響應時(shí)間。工業(yè)4.0 通過(guò)縮短發(fā)現問(wèn)題和實(shí)時(shí)解決問(wèn)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(lái)滿(mǎn)足這些需求。
設計可制造性是設計產(chǎn)品以使其能夠高效制造的一般工程實(shí)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(cháng)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(zhù)先進(jìn)的工程和制造能力，產(chǎn)品設計良好但卻無(wú)法制造也是很常見(jiàn)的。比如，設計可能指定在隔間之間設置2cm 的墻以滿(mǎn)足苛刻的環(huán)境要求，但制造商可能無(wú)法制造這種厚度的合金，或無(wú)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(jìn)行制造，但制造商只能通過(guò)將兩根鋼筋焊接在另一根鋼筋上來(lái)形成凹槽。類(lèi)似這種潛在的可制造性問(wèn)題幾乎無(wú)窮無(wú)盡。
部分問(wèn)題是在于，設計和制造已經(jīng)成為了產(chǎn)品生命周期中的獨立階段，每個(gè)階段都有自己的要求和信息。與其說(shuō)可制造性是工程設計的一部分，不如說(shuō)團隊和流程是分開(kāi)且按順序進(jìn)行的，設計師無(wú)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(gè)問(wèn)題，但它們并不是萬(wàn)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(mǎn)足快速變化的客戶(hù)需求。
另外，設計中使用的現有組件和產(chǎn)品可能已不可用或已經(jīng)過(guò)時(shí)。
產(chǎn)品建模和仿真工具都有相當先進(jìn)的設計技術(shù)，但在可制造性方面也有限制。通過(guò)模擬復制當前狀態(tài)下的產(chǎn)品，會(huì )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(chǎn)品設計可能會(huì )滿(mǎn)足功能要求，但最終卻無(wú)法制造 — 或者至少無(wú)法以滿(mǎn)足成本或交付要求的方式制造。因此，為了解決可制造性問(wèn)題，設計師和制造商之間要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的來(lái)回交流，甚至在生產(chǎn)開(kāi)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(guò)去幾年間，數字孿生 (DT) 在航空航天、汽車(chē)、造船、石油鉆井和醫療設備等多個(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，能夠使用虛擬現實(shí)來(lái)設計、測試、制造和支持產(chǎn)品。
DT是物理對象和實(shí)時(shí)過(guò)程的數字對應物。數字孿生是一種計算機程序，根據真實(shí)世界的數據來(lái)模擬產(chǎn)品或過(guò)程的執行。數據科學(xué)家、工程師和IT 專(zhuān)業(yè)人員可以運行具有成本效益的模擬，以?xún)?yōu)化物理資產(chǎn)的狀態(tài)，預測其對變化的響應，或改善運營(yíng)。此外，還可以利用DT 在對象或過(guò)程的設計早期階段發(fā)現潛在缺陷。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、大數據和軟件分析都可以用來(lái)增強DT 的輸出。產(chǎn)品圖紙和工程規范已經(jīng)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，和現在的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(wú)縫銜接設計和制造，這是其他解決方案或解決方案組合無(wú)法做到的。DT 原型 (DTP) 類(lèi)似于一個(gè)產(chǎn)品配方，包含將成為一個(gè)完整產(chǎn)品的所有設計部分，只是采用的是數字形式，其中包括產(chǎn)品的真實(shí)屬性、特性、物理性質(zhì)、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(kāi)發(fā)產(chǎn)品的最現實(shí)表示，可以在不同粒度級別（零件、產(chǎn)品或整個(gè)系統級別）對其進(jìn)行處理和操作。結果是關(guān)于可制造性的詳細程度，使設計師能夠考慮兩個(gè)功能領(lǐng)域之間的許多相互依賴(lài)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(wú)需多個(gè)物理原型。
DT 還可以對制造過(guò)程進(jìn)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(lái)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(chē)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(lái)需求的橋梁。例如，今天的客戶(hù)要求將產(chǎn)品選項和個(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(lái)了額外的制造難題。在初始或后續設計階段，可以生產(chǎn)多少DT 沒(méi)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(lái)的定制和個(gè)性化產(chǎn)品，及其可制造性。
3 未來(lái)展望
工程設計和產(chǎn)品制造之間的鴻溝甚至在制造開(kāi)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(gè)物理原型或試錯制造的成本。為了滿(mǎn)足對優(yōu)質(zhì)、快速、便宜的定制化產(chǎn)品日益增長(cháng)的需求，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期使用DT 將是滿(mǎn)足未來(lái)制造需求的唯一途徑。
（來(lái)源：貿澤電子）
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