作者：Ingomar Kelbassa（弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所

　　我們的世界一直面臨著各種各樣的社會(huì)挑戰(zhàn)。目前，氣候變化、安全、人口變化和資源保護(hù)等問(wèn)題凸顯，亟需采取行動(dòng)。解決這些問(wèn)題需要顛覆性的技術(shù)。增材制造（AM）被視為未來(lái)數(shù)字化、自動(dòng)化生產(chǎn)的游戲規(guī)則改變者，是“生產(chǎn)2.0”的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

　　這種可持續(xù)的彈性技術(shù)通過(guò)提供高度個(gè)性化（大規(guī)模定制）和極大的設(shè)計(jì)自由度（為設(shè)計(jì)而制造，而不是為制造而設(shè)計(jì)），為各行各業(yè)的創(chuàng)新解決方案開(kāi)辟了新的道路。例如，只有通過(guò)增材制造技術(shù)才能制造出具有氫氣能力的燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)部冷卻渦輪葉片、更高效飛機(jī)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)或醫(yī)用植入物。因此，增材制造為解決上述社會(huì)挑戰(zhàn)做出了重要貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在，有必要將這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

　　成熟的增材制造工藝

　　要實(shí)現(xiàn)增材制造的工業(yè)化，就必須在增材制造過(guò)程中采用端到端的方法，即從最初的設(shè)計(jì)到成品部件，不僅限于此，還包括增材制造工藝本身。例如，在激光粉末床熔融領(lǐng)域，工藝開(kāi)發(fā)方面的進(jìn)步已經(jīng)為高達(dá)1.5kW大功率激光器提供了工藝參數(shù)。

　　在這方面，激光光束整形為提高加工效率和穩(wěn)定性帶來(lái)了巨大潛力。這是因?yàn)楦咚剐图す馐喞獣?huì)將過(guò)多的能量引入中心熔池，而邊緣的能量?jī)H夠熔化。而環(huán)形光束輪廓?jiǎng)t能確保溫度的均勻分布，防止蒸發(fā)效應(yīng)，使幾乎全部的激光能量都用于加工區(qū)域內(nèi)的材料沉積。

　　在過(guò)去的十年中，弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所研究了不同光束成型技術(shù)對(duì)鋼、鋁、鈦和銅等一系列材料的影響，在每種情況下都實(shí)現(xiàn)了成型率的提高和工藝穩(wěn)定性的增強(qiáng)，從而顯著降低了制造成本，減少了工藝中斷，提高了生產(chǎn)率。根據(jù)不同的材料，在公平的比較中，堆積率和工藝穩(wěn)定性可以提高2-3倍，這可以轉(zhuǎn)化為零件成本的顯著降低。（圖1）

　　較新的技術(shù)提供了在打印作業(yè)過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整激光束輪廓的選項(xiàng)，這樣就可以在特定部件區(qū)域使用不同的激光束形狀。除了提高成型速度和工藝穩(wěn)定性外，該技術(shù)還可用于專門調(diào)整部件不同區(qū)域的性能。

　　虛擬世界與物理世界的融合

　　要實(shí)現(xiàn)增材制造工業(yè)化，還必須通過(guò)數(shù)字孿生將虛擬世界和物理世界融合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和CAD/CAM過(guò)程的自動(dòng)反饋。在這種情況下，數(shù)字孿生（系統(tǒng)、流程或制成品的虛擬復(fù)制品）可以顯著提高流程和制成品的效率和質(zhì)量。在這種情況下，數(shù)字孿生——一個(gè)系統(tǒng)、流程或制成品的虛擬復(fù)制品——可以大大提高流程和產(chǎn)品的效率和質(zhì)量。通過(guò)系統(tǒng)地捕捉和分析所有相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生模型可提供對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的全面了解。

　　在由工業(yè)界資助的“BigDataLMD”項(xiàng)目中，研究所開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)管道基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)軟件工具。

　　該管道配備了Sinumerik Edge和現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)傳感器，可以捕捉機(jī)器參數(shù)以及與過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)。然后在西門子Insights Hub中創(chuàng)建產(chǎn)品數(shù)字孿生，以捕獲和分析數(shù)據(jù)，并確定關(guān)鍵影響因素。

　　圖2顯示了基于現(xiàn)場(chǎng)傳感器收集的數(shù)據(jù)，對(duì)增材制造部件的數(shù)字化表示。該軟件工具還允許用戶從下游質(zhì)量測(cè)量步驟中獲取元數(shù)據(jù)。通過(guò)分析數(shù)據(jù)集得出行動(dòng)建議，以提高激光粉末定向能量沉積工藝的穩(wěn)定性。數(shù)字孿生的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是持續(xù)自動(dòng)優(yōu)化流程。通過(guò)數(shù)據(jù)和人工智能驅(qū)動(dòng)的模擬，最終用戶可以進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，并在早期識(shí)別潛在的誤差源，從而提高增材制造部件的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

　　端到端自動(dòng)化

　　增材制造工業(yè)化面臨的另一大挑戰(zhàn)，是去除增材制造部件的支撐結(jié)構(gòu)，目前這需要人工完成，是工業(yè)化應(yīng)用的一大障礙。由于相關(guān)的安全和健康風(fēng)險(xiǎn)以及高昂的成本和時(shí)間支出，這方面亟需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。自動(dòng)化解決方案已經(jīng)得到研究和開(kāi)發(fā)，例如使用由工業(yè)機(jī)器人操作的機(jī)械工具進(jìn)行拆除。如圖3所示，機(jī)器人被認(rèn)為是一種合適的工藝，其效果與目前的手工方法相當(dāng)。

　　在機(jī)器人的幫助下，增材制造的部件沿著平移擺動(dòng)，機(jī)器人以機(jī)械方式連續(xù)移除部件的支撐結(jié)構(gòu)。要利用這種技術(shù)拆除支撐結(jié)構(gòu)，必須仔細(xì)確定各個(gè)支撐元件的排列方式：例如，常用的塊狀支撐與錐形支撐相比，密度大、阻力大。這可能會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)斷裂的復(fù)雜情況，因?yàn)閱蝹€(gè)元件之間，必須有足夠的空間才能產(chǎn)生初始塑性變形。支撐結(jié)構(gòu)還可以配備預(yù)定的斷裂點(diǎn)或多孔特性以優(yōu)化這一過(guò)程，并改善加工件的最終表面。

　　為了進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度，還可以在加工過(guò)程中安裝攝像頭：這樣就可以跟蹤加工進(jìn)度，并識(shí)別光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)。通過(guò)與機(jī)器人的直接相連，可以重新查看部件的特定區(qū)域，并移除第一道工序后殘留的任何支撐結(jié)構(gòu)。在可行性得到驗(yàn)證后，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)和集成合適的自動(dòng)化解決方案，可為端到端自動(dòng)化做出重要貢獻(xiàn)。通過(guò)在制造過(guò)程中全面、持續(xù)地傳遞個(gè)體進(jìn)展，可以成功實(shí)現(xiàn)增材制造的工業(yè)化。

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