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工业产品的源头设计

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工业产品的源头设计

发布日期:2016-07-30 作者:无锡科泰工业设计有限公司 点击:

按照百度搜索到的定义,绿色制造又称环境意识制造,是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式,其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中,对环境的影响 (负作用)最小,资源利用率最高,并使企业经济效益和社会效益协调优化。

  但长期以来,工业产品的源头设计却是基于已有工艺来定型的。由于工艺的限制,在加工和安装方面有不可突破的障碍,更难以释放工程师设计潜能,影响产品创新步伐。

  此外,当前的机械产品必须由大量的零部件装配、焊接或铆接而成。这种组合形态对产品的性能、可靠性、重量、体积、载重、材料、动力、成本、能耗、环保等方面都具有负面影响。如:铸造工艺属于 “长流程”工艺,整个工艺过程中有近30个环节,而每个环节中还包含设计、装备、工装、材料、工艺等因素组合,累计下来的控制点可达到150个以上,过多的控制因素非常容易产生累计的质量误差,因而易于产生缺陷、质量不稳定、工序复杂等问题,传统工艺难以在需要高度精密、高机械性能的产品制造过程中作为主要工艺流程进行采用。

新系统方法论

  不可否认,企业的发展历程中,逆向设计是必须经历的一个阶段,即消化引进吸收,跟踪仿制出相关产品,获取市场空间。

  然而仅靠跟踪仿制,注定陷入 “引进—落后—再引进”的死循环。当外来的技术供给和市场格局发生变化时,企业将不堪一击。只有寻求超越的企业才可以成为业内的常青树,而依赖 “系统思维”的 “正向设计”将是解决之道。

  系统思维强调根据概念、性质、关系和结构,把对象有机组织起来,研究系统的功能和行为,着重从整体上去揭示系统内部各元素之间以及系统与环境的多种多样的关系。图1描述了产品的需求、功能、结构和行为之间的关系。结构是功能的载体,行为是结构的效应,功能是行为的抽象,这是功能—结构—行为之间的客观关系。

  2015年, “工业再设计”一词被人提及,其本质核心是工业仿真应用的升华、正向设计技术的工程化,是先进设计技术与精密制造工艺的结合。在提高工业品性能、升级产品的同时,使其走向集成化、轻量化、智能化。

  据 “工业再设计”理论发起方——安世亚太科技002540)股份有限公司负责人田锋介绍, “工业再设计”是从产品需求源头开始,涵盖需求开发、功能分析、系统设计、物理设计、工艺试制、试验验证等产品设计完整过程,并进行突破性、架构性、超越性和颠覆式的创新产品设计,真正形成我国工业企业的自主研发能力,增强企业的竞争力和生存力,促进以创新驱动的企业成长模式。其 “基于仿真和优化设计的数字技术”的设计细节创新及 “精密成型技术”制造过程的创新组成一个完整的创新驱动研制过程,能够很好实现要素驱动向创新驱动的转变。

  具体来说,整体流程共分为追根溯源、创新优化和物理试验三个重要环节。

  首先是追根溯源,获取设计指标和边界条件。再设计的初级阶段是基于对结构的当前认知,通过试验或仿真手段获取边界条件和指标数据,进行产品再设计。成熟以后,可以追溯产品原始需求,利用正向设计过程获取边界条件和指标数据,进行深层级再设计。

  其次四创新优化。借助设计创新、参数优化、拓扑优化和虚拟试验技术等手段开展创新设计和验证。在设计的过程中,工程师完全可以打破工艺的束缚,依靠无论产品结构怎样复杂皆可制造出来的理念,释放出巨大的设计潜能,他们可以只专注于需求,可以设计任何结构的产品,而不需要考虑制造工艺的局限。工艺束缚的消失带来产品设计与生产之间藩篱的倾覆,设计与制造一体化工业产品设计体系将建立,传统的产品设计模式将被根本性地颠覆,产品设计将可以真正实现仿真驱动。

  最后是利用精密制造和物理试验技术,对创新性设计方案进行确认和迭代。在精密制造技术的支撑下,可实现快速迭代,尽快实现再设计定型,以及推出最终的创新性产品。工业再设计的整体流程如图2所示。

影响几何?

  田锋说,多年的研究表明,80%的资源消耗和环境影响取决于产品设计阶段。因此,绿色设计是促进工业绿色转型发展的最关键环节和最重要举措。

  工业再设计将彻底摒弃 “傻大黑粗”式依赖资源消耗、依赖低成本竞争、依赖高能耗高排放的制造方式。通过精益设计改良产品基因,通过精密制造改良产品可靠性,从而提高制造业的质量效益;精密制造通过节省原材料、基本零排放实现环境友好的绿色制造。实现由低成本竞争优势向质量效益竞争优势的转变,实现由资源消耗大、污染排放物多的粗放制造向绿色制造的转变。

  “工业再设计将解决工业产品在研发和制造过程中的核心问题。目前,国内已有相关企业开展实践,并取得了极大成效。”田锋介绍说,安世亚太主导的工业再设计合作伙伴体系可以成为各类工业产品研制企业在研发和零部件/整机生产方面的外包商,企业可以更加集中精力于产品前期的市场开拓与后期的客户服务工作中,实现分散化研发资源、制造资源的整合和各自核心竞争力的高度协同,可以成功实现由生产型制造向服务型制造的转变。

  在他看来, 《中国制造2025》战略的推进势必将加快企业角色进程转变,其为战略中明确提出:提高国家制造创新能力、推进信息化工业化深度融合、强化工业基础能力,加强质量品牌建设、全面推行绿色制造、大力推动重点领域突破发展、深入推进制造业结构调整、积极发展服务型制造和生产性服务业、提高制造业国际化发展水平这九项战略任务和重点。

  我们认为,工业再设计是对这些战略任务将提供有力的支撑和保障。工业再设计体系当前至少可以在高档数控机床和机器人300024)、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农业机械装备七个领域发挥重要作用。

  而在他看来,工业再设计的思维是对过去设计理念的一次升华。因为,设计确定了工业品的基因,工艺和制造塑造了工业品的体格。而过去一度基于“测绘仿制的逆向设计”和 “引进消化”的照抄模式,造成了我国从学术界到工业界极少形成基于系统思维和功能观点的产品正向设计和创新设计方法学的理论和实践,从而造成设计与工艺、设计与制造之间的各自为政、脱节严重,互相对立关系。

  “现在我们都提倡绿色制造,但实质上,绿色设计是绿色制造的前提,它是基于产品自主设计能力的,而中国工业自主设计能力不足,特别是创新型正向设计能力不足,跟踪研仿的模式很难建立绿色设计意识和能力,导致绿色设计能力基因性缺乏。”

  田锋说,我国制造业过去的发展方式比较粗放,能源资源利用效率偏低、环境污染严重。从单位工业增加值能耗看,我国单位工业增加值能耗是美国的3.5倍、日本的5.3倍、英国的7.7倍、德国的8倍。而由于经济发展水平、对外开放水平不高等因素制约,一些地区对绿色设计的价值和重要性认识仍处于模糊状态。

  “这其中大有作为!”田锋强调,安世亚太科技股份有限公司和苏氏精密制造技术 (北京)股份有限公司正在利用自身的技术优势,并抓住这种优势所带来的机遇和契机,合作打造 “中国工业再设计”体系,并且已经取得一定成果。如:某汽车生产企业,采用安世亚太精益研发体系技术对一款越野卡车的前桥进行了再设计,在原结构基础上,将内部加筋处理,采用苏氏精密铸造技术整体成型,实现了将原来由78个钢制零件焊接而成的前桥壳整体铸造成一个铝制零件,在不降低性能指标的前提下,减重达到63%,直接减少材料成本250元。 “如果再设计技术普及开来,以中国每年生产2400万辆汽车计,物耗成本减少可以达到每年60亿元。由于材料要求降低、减少能耗、减少排放、节能环保等,该应用的绿色效益是节材效益的5倍之多。”

  “另外,再设计可以引发产品的突破性效能。航天某武器系统,通过再设计将壳体重量降低超过50%之后,在动力系统明显落后的情况下,实现了该武器系统在航程、航速、精确性方面对仿制对象的全面超越。可见,工业再设计将在工业强基和绿色制造等 ‘中国2025’战略任务中发挥巨大作用。”



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