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

這種可持續(xù)的彈性技術(shù)通過提供高度個性化（大規(guī)模定制）和極大的設(shè)計自由度（為設(shè)計而制造，而不是為制造而設(shè)計），為各行各業(yè)的創(chuàng)新解決方案開辟了新的道路。例如，只有通過增材制造技術(shù)才能制造出具有氫氣能力的燃氣輪機的內(nèi)部冷卻渦輪葉片、更高效飛機的輕質(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挑戰(zhàn)做出了重要貢獻?，F(xiàn)在，有必要將這項技術(shù)廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域。

成熟的增材制造工藝

要實現(xiàn)增材制造的工業(yè)化，就必須在增材制造過程中采用端到端的方法，即從最初的設(shè)計到成品部件，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，工藝開發(fā)方面的進步已經(jīng)為高達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)定性帶來了巨大潛力。這是因為高斯型激光束輪廓會將過多的能量引入中心熔池，而邊緣的能量僅夠熔化。而環(huán)形光束輪廓則能確保溫度的均勻分布，防止蒸發(fā)效應，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。

圖1：激光粉末床熔融中的光束整形及其對部件成本的影響在歧管上的演示

在過去的十年中，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)對鋼、鋁、鈦和銅等一系列材料的影響，在每種情況下都實現(xiàn)了成型率的提高和工藝穩(wěn)定性的增強，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)過程中動態(tài)調(diào)整激光束輪廓的選項，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

要實現(xiàn)增材制造工業(yè)化，還必須通過數(shù)字孿生將虛擬世界和物理世界融合起來，從而實現(xiàn)質(zhì)量控制和CAD/CAM過程的自動反饋。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——一個系統(tǒng)、流程或制成品的虛擬復制品——可以大大提高流程和產(chǎn)品的效率和質(zhì)量。通過系統(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整個生產(chǎn)流程的全面了解。

圖2：激光金屬沉積測試幾何體（左）及其相關(guān)產(chǎn)品數(shù)字孿生體（右）

在由工業(yè)界資助的“BigDataLMD”項目中，研究所開發(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)場光學傳感器，可以捕捉機器參數(shù)以及與過程相關(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)場傳感器收集的數(shù)據(jù)，對增材制造部件的數(shù)字化表示。該軟件工具還允許用戶從下游質(zhì)量測量步驟中獲取元數(shù)據(jù)。通過分析數(shù)據(jù)集得出行動建議，以提高激光粉末定向能量沉積工藝的穩(wěn)定性。數(shù)字孿生的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是持續(xù)自動優(yōu)化流程。通過數(shù)據(jù)和人工智能驅(qū)動的模擬，最終用戶可以進行精確預測，并在早期識別潛在的誤差源，從而提高增材制造部件的穩(wěn)定性和準確性。

圖3：機器人輔助自動拆除部件上的支撐結(jié)構(gòu)，包括固體材料和晶格部分

端到端自動化

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)化應用的一大障礙。由于相關(guān)的安全和健康風險以及高昂的成本和時間支出，這方面亟需實現(xiàn)自動化。自動化解決方案已經(jīng)得到研究和開發(fā)，例如使用由工業(yè)機器人操作的機械工具進行拆除。如圖3所示，機器人被認為是一種合適的工藝，其效果與目前的手工方法相當。

在機器人的幫助下，增材制造的部件沿著平移擺動，機器人以機械方式連續(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)，必須仔細確定各個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。這可能會導致支撐結(jié)構(gòu)斷裂的復雜情況，因為單個元件之間，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)還可以配備預定的斷裂點或多孔特性以優(yōu)化這一過程，并改善加工件的最終表面。

為了進一步提高自動化程度，還可以在加工過程中安裝攝像頭：這樣就可以跟蹤加工進度，并識別光學支撐結(jié)構(gòu)。通過與機器人的直接相連，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)。在可行性得到驗證后，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)和集成合適的自動化解決方案，可為端到端自動化做出重要貢獻。通過在制造過程中全面、持續(xù)地傳遞個體進展，可以成功實現(xiàn)增材制造的工業(yè)化。

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

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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