导语
德国弗劳恩霍夫协会2017年启动的标杆项目“下一代增材制造”于2020年11月结束。该项目有两项主要目标,一是建立全面的合作平台,全面整合利用弗劳恩霍夫协会在增材制造领域的离散资源;二是建立技术储备,从而提升定制金属部件增材制造的扩展性、生产能力以及产品质量。项目由弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)、增材制造技术研究所(IAPT)、制造技术与应用材料研究所(IFAM)、计算机图形研究所(IGD)、材料与光束技术研究所(IWS)、机床与成型技术研究所(IWU)协作完成,在工业4.0与数字流程链、可扩展且稳健的增材制造工艺、材料、系统技术及自动化四个领域方面取得了重大进展,在全流程链上实现了金属增材制造性能与成本效益的双提升。
01、工业4.0与数字流程链研究
“工业4.0与数字流程链”领域主要开展了三项工作:一是数字预处理,旨在开发一个可扩展的工具组,用于对增材制造部件进行模拟和优化;二是数字质量保证,即根据监控数据评估部件的质量,并开发寿命预测工具;三是基于数字孪生的网络化流程链,借助特殊数据模型复制实际流程链,形成具备可追溯性和透明度的数字流程链。
02、可扩展且稳健的增材制造工艺研究
“可扩展且稳健的增材制造工艺”领域主要开展了六项工作:一是可扩展的激光粉末床熔融(LPBF)系统,开发出一种用于大型金属部件的激光粉末床熔融设备(图1),使生产率提升10倍;二是用于增材制造的超高速激光材料沉积(EHLA)技术,已制造了超高速激光材料沉积增材设备原型机;三是直接错误检测,主要研究用于监测金属增材制造的新方法,从而提高制造过程的鲁棒性;四是工艺稳健性和高沉积速率,通过将质量保证工具集成于生产系统提升工艺鲁棒性,并开发高沉积速率的材料和工艺;五是粉末质量保证,开发在制造现场附近的粉末质量检测控制系统,确保连续生产中粉末供应质量的一致性;六是粉末改性,开发并测试增材制造粉末的替代制造方法,提升粉末金属增材制造的竞争力。
03、材料研究
“材料”领域主要专注于两大目标:一是拓展增材制造材料范围,重点是难焊接高性能合金,目前已经实现了镍基合金的激光沉积;二是开发创新方法实现多材料增材制造,用于更轻、更具成本效益零件的制造,目前已采用激光沉积完成了镍基高温合金(Inconel718)和钴基合金(Merl72)两种异质材料的连续过渡连接(图2)。
04、系统技术及自动化研究
“系统技术及自动化”领域主要开展了四项工作:一是多材料增材制造,已开发出一种多材料增材制造工艺,通过在粉末床和激光束设备上加装粉末抽吸模块和分配器(图3)实现多材料增材制造;二是零件集成,采用多材料制造系统将半成品、传感器或执行器等元器件集成封装于零件内部;三是自主返工,开发出一种模块化增材制造自主返工单元,采用点云测量结合三维模型分析的方式,规划机器人返工路径从而修正制造偏差,且能够快速灵活地集成于过程链中;四是零件识别,采用超声波测量结合图像处理技术,开发出一种实时检测零件表面识别码的方式。
05、建立“虚拟实验室”
除以上四个领域工作外,项目还建立了“虚拟实验室”,该实验室旨在以数字化的方式对相关研究所的能力和设备进行映射,实现每一个实体(设备或产品)都得以分配一个“数字孪生体”,并通过建模仿真的方式对真实系统加以优化。未来,该实验室将为新产品的规划提供数据支撑,从而大大减少审核时间。此外该实验室还将赋予设备更多的自主能力,如根据产品质量目标、生产目标等在生产过程中自主调整相关工艺参数,人类在其中的角色将由目前的统筹规划转变为决策监视。