粉末床金屬3D打印技術(shù)走向經(jīng)濟(jì)性與高效率——規(guī)模工廠的基礎(chǔ)
發(fā)布時(shí)間：
2023-01-11 12:43
在過去的二十年中，選區(qū)激光熔化粉末床金屬3D打印技術(shù)(LPBF)一直在發(fā)展，并成為潛在的批量生產(chǎn)解決方案。
關(guān)于增材制造技術(shù)的成本，根據(jù)歐洲機(jī)床工具協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，目前金屬增材制造的成本可分為四個(gè)構(gòu)成部分，直接構(gòu)建成本占40%，粉末材料成本占27%，后處理成本占25%，人工成本占8%。
可以說3D打印要實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，設(shè)備與材料的價(jià)格都需要進(jìn)一步降低到更為合理的水平。而就設(shè)備的發(fā)展趨勢來看，模塊化是選區(qū)激光熔化粉末床金屬3D打印設(shè)備的發(fā)展趨勢，而模塊化的選項(xiàng)如何與成本計(jì)算建立有效的對應(yīng)關(guān)系?這是困擾業(yè)界的難題。不過，近日亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn)DAP的研究人員開發(fā)了一種用于LPBF模塊化加工仿真計(jì)算的創(chuàng)新方法。
來源：RWTH DAP
經(jīng)濟(jì)性與靈活性的結(jié)合
在產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)濟(jì)性以及高效率是最重要的發(fā)展目標(biāo)之一。因此，選區(qū)激光熔化粉末床金屬3D打印技術(shù)LPBF設(shè)備供應(yīng)商提供模塊化和可擴(kuò)展的機(jī)器設(shè)計(jì)以及輔助系統(tǒng)是趨勢所向。
用戶可以根據(jù)自己的需要對其所需要的設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)配置。3D科學(xué)谷發(fā)現(xiàn)這從直觀層面帶來兩方面的節(jié)約，一方面節(jié)約設(shè)備廠商專門開發(fā)專用設(shè)備的努力，另一方面通過模塊化的組合方式，帶來經(jīng)濟(jì)性以及高效率的發(fā)展通道。
但是這些模塊以哪種方式對流程鏈效率產(chǎn)生積極影響?考慮到成本效率，哪些模塊最適合給定的用戶需求?當(dāng)前的成本計(jì)算工具無法可靠地回答這些問題，尤其是當(dāng)涉及到模塊化系統(tǒng)或混合批次時(shí)，成本效率的計(jì)算偏差最高可達(dá)30%。
因此，亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn)DAP的研究人員最近開發(fā)了一種用于選區(qū)激光熔化粉末床金屬3D打印LPBF技術(shù)的成本計(jì)算的創(chuàng)新方法：虛擬模塊仿真器方法。
機(jī)器仿真器的體系結(jié)構(gòu)，接口，環(huán)境和組件。此UML組件圖顯示了仿真器的內(nèi)部組件 來源：RWTH DAP
虛擬模塊仿真器方法使得系統(tǒng)供應(yīng)商和系統(tǒng)運(yùn)營商都可以就經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)模塊化程度(用于最佳組合產(chǎn)品的生產(chǎn))做出可靠的陳述。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，該方法已集成到整個(gè)LPBF數(shù)字工藝鏈中。過程控制由面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)中的各個(gè)模塊實(shí)例實(shí)現(xiàn)，可以多態(tài)實(shí)現(xiàn)以對不同的模塊行為進(jìn)行基準(zhǔn)測試。此外，可以通過使用參數(shù)集對模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
仿真器計(jì)算的構(gòu)建時(shí)間可以通過逐層比較與在雙激光LPBF機(jī)器上執(zhí)行的九個(gè)實(shí)際構(gòu)建作業(yè)的日志時(shí)間戳進(jìn)行驗(yàn)證。該模型的平均絕對百分比誤差(MAPE)達(dá)到0.28%，相對于一般具有8.2%MAPE3的回歸模型而言，有很大的改進(jìn)。
逐層分析顯示平均偏差低于0.2%，標(biāo)準(zhǔn)偏差低于1%，從而幾乎可以獨(dú)立于幾何圖形預(yù)測構(gòu)建時(shí)間。除了可靠的成本效益聲明和系統(tǒng)模塊化基準(zhǔn)測試方法的優(yōu)點(diǎn)外，幾乎精確的構(gòu)建時(shí)間預(yù)測還可以優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和機(jī)器利用率。
下一步是什么?將來，仿真研究將使用經(jīng)過驗(yàn)證的機(jī)器模型來研究模型中的各種參數(shù)變化及其對制造場景中構(gòu)建給定零件組合成本的影響。
該模型將能夠預(yù)測不同機(jī)器改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)效益，并將此作為優(yōu)化3D打印構(gòu)建過程嵌套的工具。由于其OPC UA接口，它可以集成到未來的基于OPC UA的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)中，OPC UA 獨(dú)立于制造商，應(yīng)用可以用他通信，開發(fā)者可以用不同編程語言對他開發(fā)，不同的操作系統(tǒng)上可以對他支持。從而建立選區(qū)激光熔化粉末床金屬3D打印技術(shù)的完整虛擬工廠。
這項(xiàng)研究是由德國聯(lián)邦研究與教育部(BMBF)在行業(yè)合作伙伴，F(xiàn)raunhofer弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所ILT和亞琛工業(yè)大學(xué)RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)DAP數(shù)碼光子直接生產(chǎn)項(xiàng)目(13N13710)密切合作的框架下資助的。此外，這些研究結(jié)果是“汽車增材制造的工業(yè)化和數(shù)字化(IDAM)”的一部分，該項(xiàng)目也由寶馬BMBF資助。
3D科學(xué)谷認(rèn)為，該項(xiàng)目的意義在于將推動(dòng)選區(qū)激光熔化粉末床金屬3D打印技術(shù)走向?qū)χ圃鞓I(yè)具有經(jīng)濟(jì)性和市場吸引力的價(jià)格區(qū)間，并創(chuàng)造選區(qū)激光熔化粉末床金屬3D打印設(shè)備走向?qū)I(yè)化應(yīng)用的靈活性。（來源：3D科學(xué)谷）
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