規模工廠的基礎，粉末床金屬3D列印技術走向經濟性與高效率

2019-11-08     文章出處：3D科學谷
在過去的二十年中，選區雷射熔化粉末床金屬3D列印技術（LPBF）一直在發展，並成為潛在的批量生產解決方案。
關於增材製造技術的成本，根據歐洲工具機工具協會的統計，目前金屬增材製造的成本可分為四個構成部分，直接構建成本占40%，粉末材料成本占27%，後處理成本占25%，人工成本占8%。
可以說3D列印要實現更大規模的產業化，設備與材料的價格都需要進一步降低到更為合理的水平。而就設備的發展趨勢來看，模塊化是選區雷射熔化粉末床金屬3D列印設備的發展趨勢，而模塊化的選項如何與成本計算建立有效的對應關係？這是困擾業界的難題。不過，近日亞琛工業大學數字增材生產DAP的研究人員開發了一種用於LPBF模塊化加工仿真計算的創新方法。

來源：RWTH DAP
經濟性與靈活性的結合
在產業化的工業應用中，經濟性以及高效率是最重要的發展目標之一。因此，選區雷射熔化粉末床金屬3D列印技術LPBF設備供應商提供模塊化和可擴展的機器設計以及輔助系統是趨勢所向。
用戶可以根據自己的需要對其所需要的設備進行單獨配置。3D科學谷發現這從直觀層面帶來兩方面的節約，一方面節約設備廠商專門開發專用設備的努力，另一方面通過模塊化的組合方式，帶來經濟性以及高效率的發展通道。
但是這些模塊以哪種方式對流程鏈效率產生積極影響？考慮到成本效率，哪些模塊最適合給定的用戶需求？當前的成本計算工具無法可靠地回答這些問題，尤其是當涉及到模塊化系統或混合批次時，成本效率的計算偏差最高可達30％。
因此，亞琛工業大學數字增材生產DAP的研究人員最近開發了一種用於選區雷射熔化粉末床金屬3D列印LPBF技術的成本計算的創新方法：虛擬模塊仿真器方法。

機器仿真器的體系結構，接口，環境和組件。此UML組件圖顯示了仿真器的內部組件
來源：RWTH DAP
虛擬模塊仿真器方法使得系統供應商和系統運營商都可以就經濟效益和系統模塊化程度（用於最佳組合產品的生產）做出可靠的陳述。
根據3D科學谷的市場觀察，該方法已集成到整個LPBF數字工藝鏈中。過程控制由面向服務的體系結構（SOA）中的各個模塊實例實現，可以多態實現以對不同的模塊行為進行基準測試。此外，可以通過使用參數集對模塊進行參數設置。
仿真器計算的構建時間可以通過逐層比較與在雙雷射LPBF機器上執行的九個實際構建作業的日誌時間戳進行驗證。該模型的平均絕對百分比誤差（MAPE）達到0.28％，相對於一般具有8.2％MAPE3的回歸模型而言，有很大的改進。


逐層分析顯示平均偏差低於0.2％，標準偏差低於1％，從而幾乎可以獨立於幾何圖形預測構建時間。除了可靠的成本效益聲明和系統模塊化基準測試方法的優點外，幾乎精確的構建時間預測還可以優化生產計劃和機器利用率。
下一步是什麼？將來，仿真研究將使用經過驗證的機器模型來研究模型中的各種參數變化及其對製造場景中構建給定零件組合成本的影響。
該模型將能夠預測不同機器改進的經濟效益，並將此作為優化3D列印構建過程嵌套的工具。由於其OPC UA接口，它可以集成到未來的基於OPC UA的製造執行系統（MES）中，OPC UA 獨立於製造商，應用可以用他通信，開發者可以用不同程式語言對他開發，不同的作業系統上可以對他支持。從而建立選區雷射熔化粉末床金屬3D列印技術的完整虛擬工廠。


這項研究是由德國聯邦研究與教育部（BMBF）在行業合作夥伴，Fraunhofer弗勞恩霍夫雷射技術研究所ILT和亞琛工業大學RWTH亞琛工業大學DAP數碼光子直接生產項目（13N13710）密切合作的框架下資助的。此外，這些研究結果是「汽車增材製造的工業化和數字化（IDAM）」的一部分，該項目也由寶馬BMBF資助。
3D科學谷認為，該項目的意義在於將推動選區雷射熔化粉末床金屬3D列印技術走向對製造業具有經濟性和市場吸引力的價格區間，並創造選區雷射熔化粉末床金屬3D列印設備走向專業化應用的靈活性。
相聚德國法蘭克福，3D科學谷創始人Kitty將於2019年11月20日，11.0-A79 展台介紹2019年全球3D列印市場趨勢，包括設備趨勢，材料趨勢，應用開發趨勢，軟體趨勢。3D列印中國市場的現狀，包括中國3D列印市場的SWOT分析，創新者的亮點，在中國開展3D列印業務的挑戰以及中國3D列印發展趨勢的展望。
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