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增材制造的数字化

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2019年05月10日浏览:499

当前生产工艺学的发展有两个明显的发展趋势:工业4.0 和增材制造。工业 4.0 描述的是生产过程的数字化和网络化。这涉及到有关云技术的系统——能够灵活地访问共享的计算机资源。

增材制造,或者 3D 打印,它几乎能够根据工程师的设计数据直接生产出可以使用的零部件。它也是一种基于加工数据的数字化加工制造技术方法——几乎没有一种生产加工技术像增材制造这样数字化。它要求生产组织部门考量材制造工艺过程的所有细节并提出有利于用户使用的全新解决方案。

多年来,德国汉堡和 Lüneburg 市的 IAPT 霍伦霍夫研究所研究一直在大力推进增材制造技术的工业化应用(图 1)。 该研究所的 AM4.0(增材制造 4.0)部门开发设计了一整套增材制造的数字化和生产组织的新方案。本文将介绍人们关心的一些问题和这一解决方案的应用。

图 1:IAPT 霍伦霍夫研究所生产车间一瞥:多年来,这里一直在推动工业化增材制造技术的发展。

增材制造的智能工厂

工业 4.0能够将加工机床的工作状态,例如是否停机等及时的反馈给生产计划系统。这就能使生产计划的控制处在一个封闭的调节循环中。智能化的和自我组织生产的工厂愿景,也就是人们常说的智能化工厂也可以通过工业 4.0 技术的应用而变成现实。

图 2:利用云系统控制下的生产组织软件系统 Bionic Smart Factory 4.0 实现的增材制造过程。

在这样的相互关系中,IAPT 霍伦霍夫研究所制定了“仿生智能工厂 4.0”的工厂方案(图 2)。这一方案将增材制造与智能工厂结合起来,完成复杂生产过程的智能化组织:能够在最短的时间内完成高复杂产品、多种多样变型产品的生产制造。仿生智能工厂 4.0 包含了一个基于云技术的数据系统,一个或者多个分布式制造系统。其中的云系统在合同实施过程中起到了核心作用。它可以通过浏览器接收客户的订单,估算成本费用,评估使用增材制造的潜力,例如通过零部件几何形状、 结构的优化来减轻重量。由于增材制造有着很高的几何形状加工的自由度,因此能够生产、制造功能优化和重量优化的零部件(图 3)。

图 3:飞机制造中某结构件的传统设计与减重优化设计后的外观比较。

在改进或者重新设计之后,下一步就是生产和数据的准备工作了。生产制造系统利用增材制造技术将零件加工出来。当前,与工业生产有着很大关系的新工艺、新技术就是用于金属零部件加工的选择性激光束熔化技术。这种基于粉末原材料基础上的激光加工工艺技术是一层层的喷洒金属粉末、利用激光光束一层层的熔化这些金属粉末,最终制造出所需的零件。这一技术能够在一个安装空间里加工多个零件。完成零件加工之后,通常要有满足一定的质量要求、改善零部件的性能的精整后处理工序。

增材制造过程中的生产组织

在增材制造过程中,加工工艺计划和生产过程控制不仅包括了像零部件的生成过程也包括了打印后的精整过程,其中的加工工艺计划包括了所有必须一次性执行的工艺措施。生产调度则是通过生产计划和控制,按照加工工艺计划落实用户的订单合同。 生产调度的主要目的是:确保准时交付、很高的生产能力利用率、 很短的生产加工工时、很低的库存和很高的生产灵活性。

加工工艺计划主要包含了制定有操作顺序和操作时间, 加工设备控制程序的以及设计和制造所需的工艺装备、夹具等 内容的工艺路线。工艺路线是在用户通过云技术系统的 Web 界面选择的精整后处理步骤的基础上制定的。工艺路线中具体一台设备参与增材制造是由输送到设备中的原材料决定的。额定工时由系统中开发的工时模块进行计算。

数据准备中要做好生成 3D 打印零件所需的空间准备。这里的准备工作包括确定零件在加工空间中的方位、在支撑板上 固定3D打印零件的辅助支撑结构和将同时加工的零件的布置。 这一步工作将加工工艺计划和生产控制紧紧的结合到一起了。 根据产品生产时生产能力利用率的大小,被打印的零件可以有完全不同的安置方式和方位。当生产能力利用率不大时,可以简单的将一个个被打印的零件按照最低打印密度进行排列,以便于快速的送出打印的零件。当生产能力利用率较高时,零件就要按照较高的打印高度进行排列了,以便在一块支撑板上尽可能多的排列几个零件。

在采用了工业 4.0 技术之后,改变的不仅仅是与生产计划 和控制有关的生产调度的控制过程。将3D打印作为一种工业4.0 的技术加以应用,改变了传统的加工工艺计划和生产调度的分离状态。为此,霍伦霍夫 IAPT 研究所还开发了自动化的解决方案和相应的算法语言。

增材制造过程的计划和控制

增材制造工艺过程的生产调度有两个主要组成部分;一个 是各台 3D 打印设备打印空间的编排、整理,另一个是打印空间的使用顺序。哪些零件在一次 3D 打印中同时制作出来?它们都在 3D 打印支撑板的什么位置打印(图 4)?目前普遍的做法是:按照已经确定的零件方位可以实现的最高生产能力利用率。这样一来,打印空间的优化问题也就转换成了支撑板的 装箱问题了。而装箱的问题是:在尽可能少的箱子中装下一定 数量的不同物体。装箱问题的解决方案可以是根据零件的打印高度和时间进行分类、分组;但要注意的是:这里的时间指的是扣除所有零件实际打印时间之后到合同最后期限还“剩下多少时间”。

图 4: 在打印支撑板上统一编排的零件位置布置图。

3D 打印空间的使用顺序(图 5)是将各台增材制造设备打 印空间使用的开始时间和结束时间进行了排序。这一计划的目 的是:通过打印空间使用的排序使总的增材制造时间尽可能的 短一些。这样就能保证最高的生产能力利用率和最低的生产工 时了。考虑到必须遵守的完工交货期,3D 打印空间准备工作 和(仅在上下班换班期间)的整理工作,打印空间的使用顺序 应尽可能的缩短间隔、安排的更加紧凑。

图 5:增材制造生产过程中的打印支撑板使用排序表。

打印后精整工作的计划和控制

这里的精整包括了增材制造零件生成之后直至最终结束图 5:增材制造生产过程中的打印支撑板使用排序表。 之前的所有工序(图 6)。为了消除增材制造零件中的内应力通常都要将支撑板和支撑板上的增材制造零件一同进行热处理。热处理后由线切割将增材制造的零件从 3D 打印支撑板上切割下来。然后是去除支撑结构件。在单件生产和小批 量生产情况下,这一工序通常是手动操作的加工工序。随后的表面处理用于清除残留的金属粉末以及使零件表面更加平滑、提高表面强度。最后是零件功能表面的切削加工。

图 6:增材制造技术生产的金属零件精整流程

后续精整工作调度、控制取决于订单处理顺序中的每一步工作。后一工序的完成日期要考虑前一工序的完成时间,以便获得最理想计划方案。

实施和评估

计算机软件支持下生产组织方法的实施是在云系统框架内利用网络浏览器进行的。这样,生产计划和控制就可以直接在网络浏览器上的订单联系起来了。这就形成了一个集成式的系统解决方案:包含了从销售部门处理订单到产品生产直至最后供货全过程的解决方案了。网络服务器在后台与相关联的数据库保持联系,保存所有处理合同时的数据和生产系统的数据。

对不同典型案例的分析评估表明:使用计划算法语言之后, 3D 打印所需的时间缩短了 30% 以上。另外,智能化的精整加工计划还能更好地保证供货期了。而制定这样的生产计划少则几秒钟、多则几分钟的时间:取决于合同的数量。这就能够在生产实践中更加灵活的应用计算机辅助支持的生产计划和控制软件了。

小结和展望未来

在工业 4.0 的背景下,生产计划主要是利用计算机软件自动完成的。本文介绍的增材制造生产组织解决方案能够提高生产能力,缩短合同的执行时间,更好的保证合同的交付期。增材制造设备支撑板的汇总统一管理、编排利用和后续精整工序相 互结合,是自动化增材制造生产组织的重要组成部分。使用这种基于云技术的解决方案可以顺利的将增材制造生产计划和控制纳入工业 4.0 的生产环境之中,并有效提高实际应用的灵活性。

将当前生产状况的数据实时地纳入生产计划和控制过程之中就能够快捷的对产品生产的实际情况作出反应,也为进一步的研发工作提供了更大的空间。

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