数字孪生连接产品设计与制造的桥梁

产品制造的基本前提是把任务分为两类：(1) 最高效地利用物理资源和 (2) 浪费物理资源。精益制造使制造商能够缩短生产系统内部所用的时间以及供应商和客户的响应时间。工业4.0 通过缩短发现问题和实时解决问题之间的时间，提高了效率。这些因素和相关的进步提高了生产效率，但对速度、质量、低成本和定制的需求不断增加，又促使制造商寻找新的方法来满足这些需求。

设计可制造性是设计产品以使其能够高效制造的一般工程实践。数字孪生 (DT) 的使用正在成为弥补设计和制造之间鸿沟的解决方案，具有大幅提高效率和减少浪费的长期潜力。

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1 设计和制造之间的鸿沟

即便在今天，有着先进的工程和制造能力，产品设计良好但却无法制造也是很常见的。比如，设计可能指定在隔间之间设置2cm 的墙以满足苛刻的环境要求，但制造商可能无法制造这种厚度的合金，或无法使用设计指定的合金。同样，设计可能指定一根带有凹槽的钢筋，要求使用减材方法进行制造，但制造商只能通过将两根钢筋焊接在另一根钢筋上来形成凹槽。类似这种潜在的可制造性问题几乎无穷无尽。

部分问题是在于，设计和制造已经成为了产品生命周期中的独立阶段，每个阶段都有自己的要求和信息。与其说可制造性是工程设计的一部分，不如说团队和流程是分开且按顺序进行的，设计师无法全面了解他们所需的制造能力、限制和要求。

制造设计指南有助于解决这个问题，但它们并不是万能的。与产品生命周期的其他方面一样，各种指南和最佳实践也在不断发展，以满足快速变化的客户需求。

另外，设计中使用的现有组件和产品可能已不可用或已经过时。

产品建模和仿真工具都有相当先进的设计技术，但在可制造性方面也有限制。通过模拟复制当前状态下的产品，会限制设计师在不构建额外模型的情况下测试不同配置、组件和材料的能力。即便是汇总的模拟数据也是植根于测试历史，模拟结果可能并不准确，因为人工输入和假设是模拟方程的一部分。

因此，产品设计可能会满足功能要求，但最终却无法制造 — 或者至少无法以满足成本或交付要求的方式制造。因此，为了解决可制造性问题，设计师和制造商之间要进行长时间的来回交流，甚至在生产开始之前就浪费了大量资源。

2 数字孪生：通往可制造性的桥梁

过去几年间，数字孪生 (DT) 在航空航天、汽车、造船、石油钻井和医疗设备等多个行业的使用均有所增加。DT 的理念是在物理环境中完成任何工作之前，能够使用虚拟现实来设计、测试、制造和支持产品。

DT是物理对象和实时过程的数字对应物。数字孪生是一种计算机程序，根据真实世界的数据来模拟产品或过程的执行。数据科学家、工程师和IT 专业人员可以运行具有成本效益的模拟，以优化物理资产的状态，预测其对变化的响应，或改善运营。此外，还可以利用DT 在对象或过程的设计早期阶段发现潜在缺陷。人工智能、物联网、工业4.0、大数据和软件分析都可以用来增强DT 的输出。产品图纸和工程规范已经从手工绘制发展到计算机辅助设计，再到基于模型的系统，和现在的DT。

在跨越整个产品生命周期的许多效率提升方法中，DT 可以无缝衔接设计和制造，这是其他解决方案或解决方案组合无法做到的。DT 原型 (DTP) 类似于一个产品配方，包含将成为一个完整产品的所有设计部分，只是采用的是数字形式，其中包括产品的真实属性、特性、物理性质、计算流程、操作参数、测试程序、材料清单和制造工艺清单。

DTP 是所开发产品的最现实表示，可以在不同粒度级别（零件、产品或整个系统级别）对其进行处理和操作。结果是关于可制造性的详细程度，使设计师能够考虑两个功能领域之间的许多相互依赖性。而且，DTP 的算法引擎可以推断设计、材料和组件的变化如何影响可制造性，因此无需多个物理原型。

DT 还可以对制造过程进行建模，并帮助指导能影响制造的设计决策。例如，DT 可以从成本、功能和耐久性的角度来确定增材还是减材工艺更好。它们可以进一步表示用于制造完整产品的各种工艺 — 注塑、拉削、车削、机加工或任意数量的其他工艺。要使增材制造成为主导制造工艺，DT 是一项核心要求。

最后，DT 不仅可以弥合当今设计和制造之间的鸿沟，还可以架起通往未来需求的桥梁。例如，今天的客户要求将产品选项和个性化作为核心产品的一部分，这在制造装置、材料库存、上市时间等方面就带来了额外的制造难题。在初始或后续设计阶段，可以生产多少DT 没有限制。而且，在整个产品生命周期获得的信息可以用于确定未来的定制和个性化产品，及其可制造性。

3 未来展望

工程设计和产品制造之间的鸿沟甚至在制造开始之前就可能导致大量浪费。DTP 在消弭这些鸿沟，以及针对制造及其他目的优化设计方面拥有巨大潜力。创建DT 并不便宜，但信息成本仍然远低于创建多个物理原型或试错制造的成本。为了满足对优质、快速、便宜的定制化产品日益增长的需求，在整个产品生命周期使用DT 将是满足未来制造需求的唯一途径。

（本文由贸泽电子供稿）

（本文来源于EEPW 2023年9月期）