数字驱动的弹性

作者29驾驭第四工业革命的力量 28人工智能22人工智能生态系统22人工智能风险23投资24对抗通货膨胀25ESG25劳动管理26高级机器人技术8投资8对抗通货膨胀10ESG10劳动管理11工业物联网 (IIoT)18投资19对抗通货膨胀20ESG21劳动管理21AR/VR/可穿戴设备12投资14对抗通货膨胀16ESG17劳动管理17 关于此报告—供应链投资。供应链投资需要精妙的平衡：投资足够以满足需求，同时不超支于产能。工业4.0技术使资产能够重新定位和多功能，使其摆脱特定产品或流程。The2023产业4.0发展现状为制造商提供见解，了解他们如何加强供应链并实现战略目标—从支持环境、社会和治理（ESG），到减轻劳工风险，到对抗通胀。过去三年，供应链和制造业领导者一直在应对新冠疫情及其对全球供应链的影响。需求激增、供应短缺、封锁、交货时间延误以及工人生产力和可用性降低是日常的挑战。现在随着一些挑战有所缓解，运营领导者面临新的挑战。在本报告中，我们讨论了工业4.0的实施如何解决其中的四个挑战：—对抗通货膨胀。全球通胀在2022年持续推高劳动力和物料成本。因此，许多制造商预计将出现全球经济衰退，从而导致他们专注于削减成本措施。虽然减少人力劳动是典型方法，但工业4.0技术提供了另一种解决方案。通过应用这些技术，制造商可以提高生产力和效率，最小化浪费和原材料的消耗，并最大化固定资产的使用。 数字驱动韧性 | 2023 工业四点零发展状态 1—环境、社会和治理 (ESG)全球制造业约占碳排放的20%并消耗世界能源的54%. 工业四.0技术使制造商能够在所有环境、社会和公司治理(ESG)维度上表现良好。本报告将主要关注环境方面，并探讨技术如何减少排放、优化能源和资源的使用，以及减少材料消耗。四种工业4.0技术正特别有效地克服这些制造挑战：3D打印、先进机器人、可穿戴设备、工业物联网（IIoT）技术以及人工智能（AI）。我们将考察每项技术的演变，并讨论公司如何将这些技术应用于上述挑战。—劳动管理。制造商长期以来依赖外包来削减成本，但这一策略是有代价的。全球生产网络增加了复杂性，导致管理制造节点和遵守法规的难度加大。劳动力短缺、高流失率和工人偏好的代际转变进一步加剧了问题，导致劳动力成本和招聘成本增加、质量下降和创新放缓。工业4.0技术提供了一种解决方案，减少了对熟练劳动力的需求，简化了运营，提高了效率，并降低了成本。 445亿来源：Kearney分析3D打印3D打印市场预计将实现快速增长图1技术增长3D打印预期值到2026年的市场份额29.5亿美元预期3D打印到2032年材料产业增材制造（AM），也称为3D打印，是一种通用的技术，可以使用各种原材料生产简单或复杂的几何形状。AM有助于可扩展的工厂，并能够使用人工智能创建复杂的设计，从而优化设计并带来新的可能性，例如航空航天和其他行业中的更强更轻的晶格结构。 24%18.6%数字化驱动的韧性 | 2023 工业四点零现状 2市值年复合增长率从2021年到2026年3D打印增长率2022年至2032年的材料随着制造商超越原型设计和小规模生产，3D打印市场预计将实现快速增长（见图1）。事实上，根据Grand View Research的数据，2021年全球出货的3D打印机达220万台，预计到2030年将达到2150万台。 来源：Essentium；Kearney分析主要应用航空航天夹具和模具汽车夹具和模具医疗夹具和模具合同生产夹具和模具消费者货物最终使用部件图2增材制造如今已超越其原型设计和概念建模，在各个行业提供更多优势随着技术的成熟，增材制造如今正为各行各业带来超越原型设计和概念建模的益处（见图2）：— 医疗器械公司Coalesce（最近被诺华收购）正在使用3D打印要为通用吸入产品开发价格合理的药物输送设备，例如吸入器和注射器。这些设备比每月花费超过380美元的替代方案提供显著更好的性价比。 3636762021年3D打印投资按类别划分数字驱动韧性 | 2023 行业4.0状态 4对抗通货膨胀1.25亿随着技术发展得更快、更自动化、且更能生产更高产量，它已成为一个越来越有价值的工具，用于在整个生产领域中降低成本，从设计到开发和制造。因此，投资3D打印技术不仅在短期内能增强供应链韧性，也有助于公司长期提高其生产价值。通货膨胀的挑战对某些人来说是机会。3D打印机制造商和分销商2022年报告的记录销售额，部分原因是客户为了省钱将原型生产搬回内部进行。随着时间的推移3D打印投资（百万美 投资来源：Kearney分析图33d打印已经获得了重大投资，尤其是在过去两年中3D打印技术获得了大量投资，特别是在过去两年（2021-2022年）（见图3）。根据制造技术协会的数据，2020年的疫情导致资金到位延迟，这增加了2021年的投资需求，使风险资本（VC）的融资需求增加了两倍以上。更令人印象深刻的是平均交易规模：它增长到创纪录的1900万美元。 833568+111%1,2003.15亿软件材料和应用 元） 3537.6亿核心技术 数字化驱动的韧性 | 2023 工业互联网5设计和重新设计的机会最后，备件对公司的售后服务策略至关重要，但它们可能会占用大量的财务和运营资源。增材制造可降低过度库存和陈旧的风险。为了优先考虑和规划增材制造的实施，管理者应确定将从传统制造转换到增材制造的总单位数。AM使得产品和组件的重新设计既可行又具有成本效益。借助增材技术，多个由不同材料制成的零件可被一个单一集成组件所替代，从而降低成本并最大限度地减少装配问题。重新设计可以优化强度与重量比，在满足功能要求的同时最小化材料体积。此外，一旦零件设计发布，生产立即开始，从而节省成本。—通用电气公司已利用3D打印技术将其通用电气催化剂涡桨发动机的部件数量从845个减少到仅11个这减少了发动机重量的5%，并提高了燃油消耗率的1%。与四年或更长时间相比，发动机的开发仅用了两年时间。 产品开发材料—达索猎鹰喷气机使用了斯特拉特的ULTEM 1010树脂以显著降低的成本和交付周期制造复合内饰板的铺设工具。降低原材料成本是考虑3D打印的另一个原因。由于3D打印中的原材料是逐层添加且仅在需要的地方添加，因此打印过程大大减少了材料浪费。新非金属材料的不时出现——这些材料甚至可以进一步降低生产成本——将加强3D打印在制造业中的作用。产品开发或更准确地说，快速原型制作，仍然是3D打印的主要应用场景之一，并且理由充分：使用3D打印进行原型制作可以帮助公司显著降低开发新产品的成本。更快的 Design 迭代加速了产品开发阶段和上市时间，因为产品缺陷可以在设计初期得到纠正和改进，从而最大限度地减少了昂贵错误的可能性。简而言之，根据3D Systems 3D打印可以加速产品开发项目，速度提升三到五倍。—百事公司转向使用3D打印技术来大幅降低其模具成本并且缩短了周期时间。它将原型工装开发时间从四周缩短至48小时，并使原型工装成本从每套10,000美元降低至每套350美元（降低了96%）。 减排放—空客使用3D打印技术减少飞机减少废物/回收减重—约翰迪尔开发了一个分布式制造系统，借助3D打印来降低排放植物可以下载设计并打印产品，而不是从仓库订购。这减少了材料浪费、运输距离以及相关的碳排放。排放空中客车用更轻的3D打印版本替换了其现有飞机型号上的零件。这些零件平均比原版轻55%，使用的原材料减少90%。结果比机械加工更环保的制造过程。与传统减材制造方法相比，增材制造工艺能显著减少废料和浪费。加工会持续去除材料，直到仅剩零件本身，导致90%或更多的原材料变成碎屑。相比之下，增材制造从粉末原材料“生长”出物体，产生的浪费很少。在原材料生产中提高回收率，以及使用100%回收材料制成的新金属粉末生产技术，将进一步减少3D打印的二氧化碳足迹。增材制造也可以减少交通排放。零件可以作为设计文件存储在虚拟仓库中，并使用AM按需生产，这是一种称为分布式制造的模式。这种制造方式消除了运输成品部件长距离的需求，同时还简化了库存管理。由于原材料更紧凑，运输原材料也比运输成品部件更高效。此外，相同的原材料可以用来制造多个部件。因为增材制造是一种节材的生产工艺，它减少了燃油消耗和排放。据Ampower,一架飞机的1公斤减重等于每年节省2500升煤油。对于一架20年寿命的飞机，这总共可节省高达126000公斤的CO2。其他应用，如发动机、泵或涡轮机，也能从类似的节省中受益。 ESG3D打印本质上更节省材料比传统的减法生产方法更具优势。因此，它可以在帮助公司以更高效和可持续的方式生产复杂产品和零件方面发挥重要作用。事实上，美国能愿部据估计，AM可以减少约90%的废料和材料成本，并将制造能源使用削减25%。3D打印支持按需制造，可以放置在靠近客户的地方，从而减少库存以及运输。通过使用人工智能，3D打印可以进行优化，这可以改善打印零件的可靠性和一致性，并最大限度地减少废料。 数字化驱动的韧性 | 2023 工业四点零 状态 6 数字化驱动的韧性 | 2023 行业4.0现状 7因为3D打印只需要少量员工，劳动力约束问题不那么严重。专业协会也提供面向劳动力的培训：ASTM 和 America Makes已与 Auburn 大学合作建立一个增材制造卓越中心，该中心将生产劳动力材料（针对第三方培训计划的培训或路线图）。在欧洲，欧洲焊接联合会负责为特定工作岗位的工人资格计划制定课程标准。 劳动管理值得注意的是，随着AM技术扩展到生产批量，人工干预的持续时间和频率可能会影响整体工作流程。诸如照看机器、去除支撑以及质量保证等任务可能会成为理想生产流程的瓶颈和障碍。此外，传统制造工艺通常需要多个步骤，每个步骤使用不同的机器。例如，在金属加工中，车削、铣削和钻孔经常协同使用以制造一个完成的金属零件。然而，在增材制造中，单个设备处理所有创造方面。这减少了在多台机器上进行广泛培训的需求。总的来说，增材制造比传统制造需要的劳动力更少。3D打印机以完全自动化的方式制造部件，几乎不需要操作员的监督。由于3D打印只需要少数员工，劳动力限制问题就不那么突出了。为了更好地解决这些问题，需要开展技能培训，实际上此类培训已经正在进行中。例如，许多机构设有“创客空间”或其他可获得的3D打印资源。宾夕法尼亚州立大学提供增材制造与设计专业硕士学位，包括麻省理工学院、普渡大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校在内的许多大学提供以职业为导向的劳动力培训计划。 高级机器人技术制造中的机器人可以从多个方面降低运营成本。它们提高运营效率，因为它们可以以更快的速度执行任务，且几乎不受干扰。它们还由于其精确和可重复的操作而减少了材料浪费。让我们探讨这种转型如何在多个维度上影响制造。工业机器人自20世纪60年代初以来已经取得了长足的进步。它们现在能够自主地并与人类并肩工作，这得益于传感技术、互联系统、机器学习和人工智能的进步。如今，具有小巧占地面积的可定制协作机器人，即协作机器人（cobots），已为中小型设施提供配置、培训、操作和维修的功能，无需专家协助。 投资2021年至2022年，机器人价格上涨了5%，与8.5%的总体通货膨胀率相比。这种较低的价格涨幅可归因于技术改进和硬件成本降低（如视觉系统）。我们预计这一趋势将持续，并产生额外的市场需求。未来，机器人更有可能作为硬件即解决方案提供，并作为一个可以支持多种产品和服务的平台。疫情、气候变化和地缘政治干扰迫使制造商重新评估其供应链，大约40%的公司在接下来的三年里倾向于回流、近岸外包或最佳国家外包。先进机器人技术是维持这一过程中竞争优势的关键。尽管存在高通胀和不断上升的利率，投资仍然强劲。2022年，北美公司对超过44000台机器人投资了23.8亿美元，比2021年增长11%。预计投资将继续增长，由再回流驱动，特别是在汽车、半导体和生命科学行业（参见第9页的图4和图5）。这些自动化和机器人投资反映了公司迁回美国生产的意图，我们预计这一趋势在短期内将持续。对机器