增材制造的工业化

我们的世界一直面临着各种各样的社会挑战。目前，气候变化、安全、人口变化和资源保护等问题凸显，亟需采取行动。解决这些问题需要颠覆性的技术。增材制造（AM）被视为未来数字化、自动化生产的游戏规则改变者，是“生产2.0”的关键推动因素。

这种可持续的弹性技术通过提供高度个性化（大规模定制）和极大的设计自由度（为设计而制造，而不是为制造而设计），为各行各业的创新解决方案开辟了新的道路。例如，只有通过增材制造技术才能制造出具有氢气能力的燃气轮机的内部冷却涡轮叶片、更高效飞机的轻质结构或医用植入物。因此，增材制造为解决上述社会挑战做出了重要贡献。现在，有必要将这项技术广泛应用于工业领域。

成熟的增材制造工艺

要实现增材制造的工业化，就必须在增材制造过程中采用端到端的方法，即从最初的设计到成品部件，不仅限于此，还包括增材制造工艺本身。例如，在激光粉末床熔融领域，工艺开发方面的进步已经为高达1.5kW大功率激光器提供了工艺参数。

在这方面，激光光束整形为提高加工效率和稳定性带来了巨大潜力。这是因为高斯型激光束轮廓会将过多的能量引入中心熔池，而边缘的能量仅够熔化。而环形光束轮廓则能确保温度的均匀分布，防止蒸发效应，使几乎全部的激光能量都用于加工区域内的材料沉积。

图1：激光粉末床熔融中的光束整形及其对部件成本的影响在歧管上的演示

在过去的十年中，弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所研究了不同光束成型技术对钢、铝、钛和铜等一系列材料的影响，在每种情况下都实现了成型率的提高和工艺稳定性的增强，从而显著降低了制造成本，减少了工艺中断，提高了生产率。根据不同的材料，在公平的比较中，堆积率和工艺稳定性可以提高2-3倍，这可以转化为零件成本的显著降低。（图1）较新的技术提供了在打印作业过程中动态调整激光束轮廓的选项，这样就可以在特定部件区域使用不同的激光束形状。除了提高成型速度和工艺稳定性外，该技术还可用于专门调整部件不同区域的性能。

虚拟世界与物理世界的融合

要实现增材制造工业化，还必须通过数字孪生将虚拟世界和物理世界融合起来，从而实现质量控制和CAD/CAM过程的自动反馈。在这种情况下，数字孪生（系统、流程或制成品的虚拟复制品）可以显著提高流程和制成品的效率和质量。在这种情况下，数字孪生——一个系统、流程或制成品的虚拟复制品——可以大大提高流程和产品的效率和质量。通过系统地捕捉和分析所有相关的生产数据，数字孪生模型可提供对整个生产流程的全面了解。

图2：激光金属沉积测试几何体（左）及其相关产品数字孪生体（右）

在由工业界资助的“BigDataLMD”项目中，研究所开发了数据管道基础设施和相关软件工具。

该管道配备了Sinumerik Edge和现场光学传感器，可以捕捉机器参数以及与过程相关的数据。然后在西门子Insights Hub中创建产品数字孪生，以捕获和分析数据，并确定关键影响因素。

图2显示了基于现场传感器收集的数据，对增材制造部件的数字化表示。该软件工具还允许用户从下游质量测量步骤中获取元数据。通过分析数据集得出行动建议，以提高激光粉末定向能量沉积工艺的稳定性。数字孪生的一个关键优势是持续自动优化流程。通过数据和人工智能驱动的模拟，最终用户可以进行精确预测，并在早期识别潜在的误差源，从而提高增材制造部件的稳定性和准确性。

图3：机器人辅助自动拆除部件上的支撑结构，包括固体材料和晶格部分

端到端自动化

增材制造工业化面临的另一大挑战，是去除增材制造部件的支撑结构，目前这需要人工完成，是工业化应用的一大障碍。由于相关的安全和健康风险以及高昂的成本和时间支出，这方面亟需实现自动化。自动化解决方案已经得到研究和开发，例如使用由工业机器人操作的机械工具进行拆除。如图3所示，机器人被认为是一种合适的工艺，其效果与目前的手工方法相当。

在机器人的帮助下，增材制造的部件沿着平移摆动，机器人以机械方式连续移除部件的支撑结构。要利用这种技术拆除支撑结构，必须仔细确定各个支撑元件的排列方式：例如，常用的块状支撑与锥形支撑相比，密度大、阻力大。这可能会导致支撑结构断裂的复杂情况，因为单个元件之间，必须有足够的空间才能产生初始塑性变形。支撑结构还可以配备预定的断裂点或多孔特性以优化这一过程，并改善加工件的最终表面。

为了进一步提高自动化程度，还可以在加工过程中安装摄像头：这样就可以跟踪加工进度，并识别光学支撑结构。通过与机器人的直接相连，可以重新查看部件的特定区域，并移除第一道工序后残留的任何支撑结构。在可行性得到验证后，优化支撑结构和集成合适的自动化解决方案，可为端到端自动化做出重要贡献。通过在制造过程中全面、持续地传递个体进展，可以成功实现增材制造的工业化。

作者：Ingomar Kelbassa（弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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