价值主张
VALUE PROPOSITION
工业互联网及相关技术的发展对产品开发设计方法的影响
2020-04-26 15:10

中国正在加速推进工业互联网的发展,工业互联网支持政策也在密集出台。工业互联网的一个定义是:工业互联网是链接工业全系统、全产业链、全价值链,支撑工业智能化发展的关键基础设施,是新一代信息技术与制造业深度融合所形成的新兴业态和应用模式,是互联网从消费领域向生产领域、从虚拟经济向实体经济拓展的核心载体。从中我们可以看出,工业互联网不仅将实现企业内部设备、部门与系统间的互联,而且还将实现企业上下游之间的互联。从产品生命周期的维度,要实现产品从设计、制造到服务到再到报废回收的互联。工业互联网及相关技术的发展将使产品的研发设计工作与客户需求和生产过程更紧密地连接,对产品的研发设计带来新的挑战和机遇。


1、产品设计技术与生产制造技术相互推动发展


1.1)传统的产品开发设计过程,常常包括概念设计、详细图纸设计、工艺设计、工装模具制造、样品试制、试验测试、小批量试制、正式投产等阶段。不同部门之间的沟通反馈与设计更改导致项目周期很长。而现代产品开发更强调协同,要求各项工作的高度集成、协同、融合。因此,一些先进企业已经开始采用MBD(基于模型的设计)技术,取消二维图纸,在三维产品模型中描述与产品相关的产品属性、设计信息、工艺信息、检验信息和管理信息等,保证设计数据的唯一性,减少了数据在传递过程中出现错误的可能性。MBD通常集成在企业的PLM系统中,推动并行工程和企业数字化制造水平的提升。


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1.2)在传统的减材制造的产品的开发设计过程中,工装模具开发制造常常占了很多的时间和成本,对于多品种小批量的产品,以及具有高度复杂结构的产品来说尤为不适。而当今增材制造技术的发展,为产品设计打开了新的方向。增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,它为构建具有自由形状和复杂特征的零件提供了极大的自由度,可直接根据三维数据模型制造成品,无需使用成本高昂的加工工具。通过良好的设计,用增材制造技术制造的零件往往更轻、更高效且能够更好地发挥工作性能。


基于增材制造技术的设计,可以实现传统制造技术实现不了的复杂结构,可以用最少的材料满足零件性能要求,可以对产品几何构型的拓扑优化,解决“制造限制设计”的问题,实现优化设计和创新构型。


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基于增材制造技术的设计,可以通过一体化的结构,用最少的产品零件数来满足性能要求,可以减少组装过程和潜在的组装错误,减少零件库存数和资金占用,还便于维护。


基于增材制造技术的设计,还可能实现零件材料的混合使用,以单一的零件满足多种性能要求,能实现产品功能上的突破。


2、个性化的客户需求推动设计过程的柔性化 —— 快速学习循环法


当前的时代,多样化和个性化的需求是一个鲜明的标签,很难在产品开发项目的一开始就能够真正理解客户需求。客户需求的挖掘是一个逐步深化的过程,设计人员对于项目专业知识的理解也是一个逐步深化的过程,这需要产品设计开发的过程具有一定的柔性,应对项目过程中的各种变化。


解决问题不仅需要精益工具方法还需要专业知识作为基础,而获取专业知识积累的一个重要途径就是研发活动本身。创新性是研发活动的重要特征之一,完成创新所需要的专业知识和经验往往是研发团队在研发初期不能完整具备的,因此研发项目往往基于假设和不完整的知识开始。按照传统流程,研发过程通常会在上述状态中走得很远,这将导致研发成果往往是对次优产品解决方案的趋同、对不断变化的客户需求缺乏灵活性。同时,由于在研发后期发现问题将导致长时间的反馈循环和延迟,所以迫于研发项目时间和成本目标的压力,往往会在还未充分理解问题根本原因的情况下采用折衷解决方案,造成即使研发项目已经结束,研发团队却仍然没有收获到完整知识积累的现实。


快速学习循环法的目标是创建和获取关于设计可行性、设计权衡取舍和设计方案风险的硬知识,主张把研发任务分解为多个小任务,通过每一个小任务对设计中的假设部分、风险领域和有疑问的设计权衡取舍进行有针对性的分析和测试,用分析和测试的结果与原型设计理念相互碰撞和印证。这种方式与统研发过程的差异如下图所示:


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传统研发过程与基于快速学习循环法研发过程的比较


快速学习循环法的执行要点如下: 


a) 关注不完全知识领域和其所涉及的设计关键部分或设计风险,分解子任务并用实验和原型机的方法验证“假设”部分和“标准”解决方案。


b) 充分了解客户的价格偏好及其使用产品的习惯,并用客户所定义的价值来驱动每个步骤中的决策。


c) 需要在研发活动早期引入客户参与,而不是在完成绝大部分研发成果之后。


d) 可使用软件模拟、快速原型、快速测试和客户反馈等方法,实现对设计概念的快速准确评估。


e) 研发过程中积累的知识需要收集和整理,以便在当前项目、项目组合以及整个组织中重复利用和完善,实现研发效率和研发团队能力的持续提高。


结束语


工业互联网及相关技术的发展正在带给我们一个不一样的世界,它推动着产品设计方法和技术的不断发展。为了以合理的成本满足不断增强的定制化需求,可以规划并发展基础技术、基础产品和定制化设计;进行产品平台规划和模块化设计并建立模块库;通过大数据平台搜集客户需求,进行市场细分;进行面向自动化制造和装配的设计;通过网络化系统实现设计与生产以及服务的联动与信息共享。在这个变化越来越快的世界里,只有提高对环境变化的感知、理解与适应能力才能实现长远发展,研发设计方法和手段也是如此。

爱波瑞集团高级咨询顾问    李玉璇