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数字孪生和增材制造赋能供应链管理

2021/6/1    来源:互联网    作者:丁杰      
关键字:供应链管理  数字孪生  增材制造  
本文探讨了数字孪生和增材制造等数字化制造技术应用于企业研发、制造和质控等领域对其供应链管理所带来的深远影响,以及在为供应链管理赋能过程中需要解决的一些关键问题。
供应链管理的挑战与数字化利器

       供应链管理对于制造型企业,特别是生产大型复杂装备产品、多品种订单式生产和全球化采购经营的大型跨国制造企业而言,重要性不言而喻。企业的供应链管理一定是其整体战略最重要的有机组成部分之一,涉及到企业经营的方方面面。

       例如:新品研发过程中,主机厂对其子系统或零部件供应商的研发外协、系统集成和项目管理;采购过程中,制定合理的供应商准入策略,平衡质量、成本、交期等;生产过程中,合理布局OEM、ODM供应商,确定合适的生产计划和安全库存;维护保养环节,备品备件的供应和逆向物流等。除此以外还需考虑产品物流运输规划保障,而全球化的供应链还需考虑贸易监管、当地政府要求、转移定价、税务、汇率、财务事务的决策等。

       这是一个复杂的生态系统,稍有不慎即可导致生产中断、销售断货、成本飙升、质量事件等严重问题。

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复杂的跨国供应链管理体系(源自网络)


       解决问题首先需要具有对该复杂系统的“可视性”,进而具有“可预测性”,以及形成风险管理和风险缓解的“预案”。数字孪生体技术具有“数化”、“建模”、“互动”、“仿真”、“沙盒模拟”等特性,为供应链管理这类复杂系统提供了有力的数字化支撑。

       而增材制造具有“随需而制”、“简化产品结构和零部件”、“简化产品所需原料类型”、“简化工艺流程和降低工厂要求”等特性,从数字化制造的另一面为简化供应链管理提供了工艺技术上的支撑。

       两者相结合必将对制造业供应链管理带来数字化革命,并且越来越多的应用案例已开始展现。

数字孪生与增材制造赋能供应链管理的几个视角

       以企业制造全流程来看,主要涉及到设计(Design)、制造(Manufacturing)和质量(Quality)三个重要环节,这些环节对供应链管理都产生了重要影响。

       在目前的环境下,在研发、制造、质量控制和供应链领域,大多企业已基本实现信息化管理,存在着很多信息系统。各个信息系统可能具有自己的模型,但是往往难以互通,更缺乏能够贯穿流程,以及被产业供应链上下游所共同认可的标准。这带来了复杂的信息系统和数据接口问题,数据和产品质量难以保证,更难以满足新时代服务型制造、大批量个性化定制需求下对供应链管理的需求。

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未来在数字孪生体模型支撑下的研发、制造和质量数据协同(源自RyanGelotte和JenniferHerron,数字孪生体课堂)


数字化研发对供应链赋能的影响

       以数字化研发应对大批量个性化定制或者快速变化的市场需求,将对供应链带来如下影响:

       1.从逆向工程到正向设计:在经济日益国际化、市场化的今天,复杂产品和系统的测绘仿制已不可行。而随着知识产权保护的理念日益巩固,从中国制造走向中国创造,中国正在成为正向设计和创新的主战场。正向设计需要基于模型、自顶向下的系统工程(MBSE)。复杂的产品BOM结构、以及频繁的需求和设计变更交互,需要主机厂与供应链具有基于统一数字孪生体模型的系统支持;

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MBSE支持的正向设计(源自安世亚太


       2.共享设计和仿真资源、应用统一的规则:随着支持设计和仿真的云平台建立,供应商将可以和主机厂在同样的平台上工作,运用同一套设计和检验规则,共享软硬件资源,数据和信息集中管理;

       3.面向增材的设计将极大减少产品零部件和供应商数量:以GE的CT7涡轴/涡桨发动机改进型的燃烧室中框架单元体为例,采用面向增材的设计DFAM后,原来的七个组件及其300个零件最终组合成一个零组件。除了减重十余磅,研发团队规模减少了一个数量级,供应商数量也由50多个降为一个,技术服务中心由五个降为一个;

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增材制造对研发组织、供应商管理、维保服务的简化(来源:GEAviation)


       4.产品原型将得到快速制造:随着增材制造装备的普及,主机厂与供应商之间的产品原型交互将更为简便。传统的实物制造和运输过程,将被数据模型的电子传输所替代,按需随时打印,极大地缩短了时间周期和成本。

数字化制造对供应链赋能的影响

       以增材制造为代表的数字化制造,其工艺流程简单,随需而制,使低成本的分布式制造成为可能,带来库存和供应链的大幅简化。

       1.“随需而制”的分布式制造和库存模式:例如UPS和FastRadius、SAP合建的分布式制造平台,旨在满足全球供应链不断变化的需求,提供按需制造和供应链解决方案。其核心是提供一个“虚拟库存”,可以安全地存储客户零件的数据模型和生产工艺,零部件仅在需要时才进行生产。这消除了制造商物理存储零件的库存成本,并能够在24小时内立即补充库存。FastRadius将增材制造中心设置在战略性的“跑道尽头”位置,使FastRadius最多可以节约6个小时的生产时间,这可以为客户提供真正的准时生产,订单最快可能在下单的同一天内发货。

       2.维护保养过程中的备件供应:在装备使用和维护保养过程中,随需打印大大降低了备件库存和备件物流,特别是对于部分高价值和难以拆卸的装备和场合(例如战场和太空环境),应用增材制造技术还可进行现场打印和修复,大大降低修复时间和成本。

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太空3D打印(来源:MADEINSPACE)


       3.建立制造过程的数字孪生体:将使得供应商能随时掌握其产品在总装厂的库存、装配和使用过程,以及在整机测试中的性能表现,变被动地接受订单和问题反馈为主动安排生产和改进产品。

数字化质控对供应链赋能的影响

       供应商质量控制是供应链管理的重点和难点,而数字孪生和增材制造等数字化技术的引入,将对产品质量控制带来新的手段。摆脱传统具有一定风险的抽检模式,通过每个产品数字孪生体的过程数据和在线检测数据的人工智能分析,即可精确判别产品质量乃至划分产品等级。

       1.增材制造提供丰富的制造过程数据:相对于传统等材和减材制造,增材制造将可提供产品更为完整的数字孪生体。由于采用逐点堆积成型技术,对于每个点的控制参数均有详细记录,同时对成型过程质量在线监控,数据量远远超出CNC等减材工艺。配备机器视觉和人工智能技术对数据进行分析,发现质量缺陷和可靠性隐患,主机厂甚至可以“看着零件长大”,掌握最全面可靠的质量信息;

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增材制造质量控制要素(来源:安世亚太)


       2.提高供应商质量管理的智能化和自动化程度:通过对供应商数字化制造赋能,在大数据积累下将可大大简化和加强供应商管理过程。例如:在供应商准入环节,将其数字化制造程度作为重要的考核指标;在供应商审核环节,将飞行检查改为对过程监控数据的常态监控;在来料入厂环节,将抽查检验转变为对产品数字孪生体的AI检验;供应商的考核与评级,基于以上的数据模型等。

供应链数字化赋能中的数据交互标准和高速数据传输等关键问题

       在产品研发、制造、质控到交付的链条中,与供应链的数据交互将会带来大量的挑战。它直接影响了最终产品的质量,也影响了整个供应链运行的效率。例如在研发阶段,需要与大量供应商同步解决需求的变更和零部件相互之间的配合问题。

       图片产品生命周期和研发中的供应链数据交互问题(来源:RyanGelotte和JenniferHerron数字孪生体课堂)

       对于供应链的数字化赋能,核心是解决数据交换问题,关键是建立统一的数据标准。为了解决供应商交互问题,工业界和标准化组织联合制定了一系列包含产品全生命周期(PLCS)信息的国际标准,例如2005年发布的《ISO10303STEP——产品模型数据交换标准》等。

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产品全生命周期信息数据交换(来源:安世亚太)


       随着数字化时代数字孪生和增材制造等新技术的加入,数据类型更为丰富、数据容量几何级增长、数据交互的时效性要求更高、数据价值和应用分析的工具更为先进,同时也带来了对数据标准更新和工具更新的要求。

       以增材制造为例,研发和制造过程中的产品数据,动辄以G计算;由于传感器、机器视觉、人工智能和数字孪生的应用,数据传输过程也由传统单向低速控制指令,转变为控制指令和过程检测数据双向高速传输;而生产过程中积累的大量数据,除产品质量保证外,在其生命周期中的可靠性管理和预测性维护等领域,都将发挥重要价值。

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增材制造的数字线程(来源:PaulWitherell,数字孪生体课堂)


       对于数字孪生体和增材制造相关标准的制定,已成为ISO等国际标准化组织和我国十四五数字化制造的核心研究课题。同时,海量数据的高速低延时传输,对通讯基础设施也提出了更高的要求。以5G应用为代表的数字化新基建正成为制造业强国面向未来竞争的发力点。

       2020年初,德国FraunhoferIPT弗劳恩霍夫生产技术研究所IPT和瑞典移动网络供应商爱立信共同开发了“欧洲5G工业园区”概念,在亚琛园区测试新移动网络技术在生产控制与物流方面的应用。我国以华为为支撑的5G工业园区建设项目也在多地规划布局和建设中,将成为未来数字化园区和工厂的标配。

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5G工业园区中的增材制造场景(来源:3D科学谷)


       未来,随着5G通讯网络建设,数字孪生、增材制造等数字化制造技术的发展和相关标准化工作的逐渐完善,必将为制造业的供应链管理带来全面变革。

责任编辑:李瑶嘉
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