“机器人打铁匠”重振美国制造业 | 美国新型工厂回归

​制造业技术与创新之间有着隐蔽而密切的联系。技术狂人特斯卡CEO马斯克认为，“机器制造机器”将推动促进了特斯卡的航天项目和汽车业务的发展。使用更便宜、可扩展的程序可以让Space X低成本而高效地完成发射任务，这是美国宇航局的传统制造方法无法相比的。

图1：特斯拉电动皮卡Cybertrunk

还记得那个外形让人吐槽的特斯卡电动皮卡 Cybertruck吗？它同样采用创新设计体系利用了一种简化制造过程，废除了“模具冲压“，更有利于金属件的弯曲和折叠。特斯拉电动皮卡Cybertrunk采用了超硬30倍冷轧不锈钢打造车身。此材料强度过高，常规的冲压方法会损害冲压机，不能采用常规的车身生产方式，因此车身设计为平面化，没有曲线。

现在，一种被称为“机器锻造“的新方法，正在横空出世，有可能彻底改变高质量构件的生产方式，从而生产定制和优化的新产品。

减材、增材各有一弱

各种高性能和安全性强的金属零件广泛应用于运输、采矿、建筑和发电设备如涡轮发动机中，而其中大多数都是用几十年来未变的经典制造工艺生产制造的。

机加工，切割原材料获得理想形状；铸造，将熔融金属倒入模具；成型及锻造，将金属变形挤压成新形状。铸造和锻造成型通常需要定制模具，设计制造的时间成本和费用较高，但运行时生产效率也高；生产出的零件成本较低，并且具有高度的可复制性。这就是为什么螺母和螺栓便宜可靠。

第二次世界大战后不久，数字化生产使生产更便捷。通过计算机数控加工，从金属块中切割出各种形状的零件。生产不同的组件只需简单启动一个新的计算机程序。计算机数控加工的一个普遍缺点是产出率低，例如一个1000磅的钛块可能被切割生产成仅100磅重的航空部件。虽然看似昂贵且浪费材料，却无需投入新成本，筹备时间也较短。

如今，人们对增材制造（3D打印）的零件生产方式热情高涨。。打印过程中，根据需要从计算机存储的模型文件中选择生成零件，每次叠加一层。传统机械加工无法制作的形状可以通过3D打印生产出来，例如，有内部冷却通道的零件。这些技术有其优点，但也有缺点：生产出的零件通常强度或韧性不高，需要重新处理。而这也是非常浪费资源的事情。

新物种：半是机器人半是铁匠

铁匠像揉面团一般制造金属器具，使它的结构更精细、更均匀，颇具力量。当这种材料成形时，它会产生方向性强度，就像木材沿着纹理的方向更强一样。然而，没有一位人类铁匠能够处理飞机起落架大小的部件，也难以批量制造出我们经济发展所足够的零件。

机器锻造打算改变这个局面。它正式名称是变形制造（Metamorphic Manufacturing）。是目前正在发展的一种新的制造方法。它利用传感器、热控制、制动成型、机器人操作系统和计算系统精确锻造金属物件，模拟了人类铁匠的技能和创造力。机器锻造可以利用全新的数字能力扩展铁匠打铁的技术。金属件反复渐进地在压力机上准确定位并成型，形成零件。这种动力压力机或锤敲系统，完全可以根据所需的形状选择合适的加工工具。

利用自动化的零件成型技术，和铁匠打铁的基本方法，机器可以比人类更高效地批量生产大零件。这种新的方法有可能高效和持续地制造飞机、船只、潜艇和机车内部的结构框架。或缩小，生产出小型个性化的医疗植入物。

这项技术的倡导者Glenn Daehn将其视作继计算机数控及添加制造（3D打印）后的“第三次数字制造浪潮”。机器锻造打破了数控加工和添加制造的一些局限性，将铁匠的热机械变形与智能机器系统的高精度控制系统相结合。与数控加工相比，变形制造的成型技术可减少加工时的材料损失；与添加制造相比，变形制造的锻造技术可以利用类型更广泛的金属材料并优化金属的性能；此外，由于采用了开式模锻，也可用机器锻造系统代替闭式模锻和相应模具来生产较大的锻造部件（如飞机舱壁）。未来，该项技术有望应用于减少高强度的大型钢制潜艇船体的焊缝、生产卫星等空间飞行器的部件、开发传感器内嵌式无人驾驶运输器、减少医学成像设备（如磁共振成像和x射线计算机断层成像设备）生产时的微粒生成等方面。

变形制造 变形金刚

2017年，俄亥俄州立大学一个本科生小组接受了政府资助的LIFT(未来轻量级创新)工程提出的25，000美元的挑战，该奖是由美国制造业研究所LIFT和俄亥俄州设计与制造中心共同设立的，旨在将铁匠的古老技能与数字时代的机器人技术结合起来，扩展材料成形能力，阐述机器锻造的关键概念。

比赛的第一阶段要求设计一台机器可将粘土塑造成预定的形状。为了更好地控制变形，他们在传统的计算机数控铣床上增加了端部成型设备和相关软件，使之可产生微小的变形增量，并以此制造了一个马蹄铁和一个支架，获得第一名。该工艺可用于金属零件的局部按需成形。

图2：俄亥俄州立大学学生团队作品成果

当然，这只是一个好的开始。要将金属加工成安全系数要求高的产品之前，还有很多研究和开发需要完成。

全面发展机器锻造需要综合技术。系统必须知道加工零件每个位置的材料的形状、温度和状态。然后，为确保结构和性能无误，它必须能够控制温度。在需要的地方，用计算机控制冲压机挤压零件，一点一点地使零件变形。通过学习如何制造先前的零件，计算机可以决定下一步如何移动和敲击零件，以获得更好的形状和性能。

从基础技术到产业集群

最近的一项研究表明，所有这些基础技术都在迅速发展，最好地方法是将它们作为一种实用的制造技术迅速地融合在一起，从而发展产业集群。而最近几十年来，技术集聚的案例往往出现在美国之外：个人电子制造业以中国深圳为中心，而先进的半导体设备则在新加坡落户。早期的产业集聚是偶然的，而后期的产业集聚通常是深思熟虑后政策决定的结果。

历史表明，产业集聚的发源地可获得长期的商业利益。底特律有汽车，硅谷有计算机，托莱多有玻璃制造，明尼阿波利斯也有医疗设备工程，而阿克伦则有聚合物工程。阿克伦曾经号称“世界橡胶之都”，轮胎产业发达，但是由于制造业工厂迁出的影响，在20世纪80年代、90年代初陷入衰退，经济下滑。几十年来，当地的阿克伦大学不断培养聚合物产业的科学家和工程师，大型轮胎企业建立了实验室和相关基础设施，提供了良好的人才培养模式和研究环境。

这些从大学出来的技术和人才，重新找回了这个区域的产业方向。先前橡胶产业的技术工人再就业，成为发展聚合物产业的劳动力基础。同时，阿克伦还建立了全球商业加速器，加速技术孵化，为企业技术创业提供场所、设施和项目资助。凭借先前的工业基础，阿克伦快速发展了合成材料的开发能力，成功转型成全球聚合物产业领导者。

小记

许多伟大技术诞生于美国，生产制造于其他地方。例如，许多智能手机的核心技术都是在美国的实验室开发的，但生产线已经遍布世界各地。下一波创新浪潮很可能会着眼于人才培养和工厂技能改进。而机器锻造，则给了美国成为领导者的机会。保持这种良性循环的核心是，回到工厂、发展工厂，让机器制造机器。

作者

Glenn S. Daehn：美国俄亥俄州立大学 材料科学与工程系教授，制造学院的创始人

编译者

陈秉怡：南山工业书院 特邀观察员

编审

林雪萍：南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司总经理，微博@南山林雪萍

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