關(guān)于3D 打印中的數(shù)字孿生：你需要了解的一切

您聽(tīng)說(shuō)過(guò)數(shù)字孿生嗎？這個(gè)想法最初是在 20 世紀(jì) 60 年代提出的，旨在創(chuàng)建阿波羅任務(wù)的動(dòng)態(tài)模型，以便通過(guò)帶有數(shù)字組件的車(chē)輛物理模型來(lái)幫助評(píng)估其失敗情況。從那時(shí)起，這個(gè)概念不斷發(fā)展，但其核心保持不變，這是可以理解的。從本質(zhì)上講，數(shù)字孿生是專門(mén)為準(zhǔn)確反映物理對(duì)象而設(shè)計(jì)的虛擬模型。不僅如此，根據(jù) IBM 的說(shuō)法，數(shù)字孿生可以被視為“一個(gè)物體或系統(tǒng)的虛擬對(duì)象，能夠跨越其生命周期，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，并使用模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)和推理來(lái)幫助決策”。盡管數(shù)字孿生經(jīng)常與建模相混淆，但數(shù)字孿生的用途遠(yuǎn)不止于此。在數(shù)字孿生中使用算法和數(shù)學(xué)運(yùn)算是讓用戶預(yù)測(cè)零件（例如使用 3D 打印制造的零件）行為的重要組成部分。

現(xiàn)如今，數(shù)字孿生在從制造到醫(yī)療甚至室內(nèi)設(shè)計(jì)的各種應(yīng)用中找到了自己的位置。此外，它們?cè)絹?lái)越多地用于增材制造。此外，根據(jù) Markets and Markets 的調(diào)研數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生2022 年的市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)達(dá)到69億美元，到 2027 年將增長(zhǎng)至約 735億美元，這一事實(shí)也許并不令人意外。為了搞清楚為什么要在 3D 打印中使用數(shù)字孿生，需要首先對(duì)該技術(shù)有一個(gè)詳細(xì)的了解。

△數(shù)字孿生越來(lái)越多地被用作工業(yè) 4.0 的一部分（圖片來(lái)源：GE）

在 3D 打印中使用數(shù)字孿生

數(shù)字孿生和增材制造都被認(rèn)為在工業(yè) 4.0中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，直到最近幾年，兩者才開(kāi)始結(jié)合起來(lái)。但值得注意的是，許多不同的研究發(fā)現(xiàn) 3D 打印總體上非常適合數(shù)字孿生的使用。為什么？因?yàn)榫推浔举|(zhì)而言，增材制造是數(shù)字化的。從在線設(shè)計(jì)到切片軟件，再到監(jiān)控整個(gè)打印過(guò)程的程序，自動(dòng)化和人工智能已經(jīng)在增材制造中找到了歸宿。數(shù)字孿生只是另一個(gè)需要添加的工具。

但你如何使用它們呢？我們首先要考慮一下在 3D 打印中集成數(shù)字孿生的過(guò)程。如前所述，數(shù)字孿生從 3D 模型開(kāi)始。這可以通過(guò)CAD或生成設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成。此外，3D 掃描也越來(lái)越多地被使用，因?yàn)樗�可以�?chuàng)建相關(guān)零件的完美模型。除了最初的設(shè)計(jì)之外，市場(chǎng)上已經(jīng)有許多專門(mén)設(shè)計(jì)用于數(shù)字孿生（包括 3D 打�。┑能浖�程序。以西門(mén)子、Simio 或 Netfabb 的產(chǎn)品為例。這簡(jiǎn)化了集成，從而進(jìn)一步推廣了在增材制造中的普遍使用。更不用說(shuō)，由于它能夠真正重新創(chuàng)建產(chǎn)品，因此很容易看出它如何用于備件逆向工程等應(yīng)用。

最后，數(shù)字孿生可以被分為幾種不同的形式，因此也必須予以考慮。根據(jù)一份報(bào)告，增材制造的數(shù)字孿生可分為四類(lèi)：

• 處理數(shù)字孿生；
• 設(shè)備數(shù)字孿生；
• 設(shè)施數(shù)字孿生；
• 產(chǎn)品數(shù)字孿生。
  

顧名思義，它們針對(duì)制造過(guò)程中的不同領(lǐng)域。流程數(shù)字孿生可用于復(fù)制 3D 打印流程的數(shù)字版本，以進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。同樣，設(shè)備數(shù)字孿生可以復(fù)制打印機(jī)，為維護(hù)工作提供重要信息。設(shè)施數(shù)字孿生是前兩者的混合，但規(guī)模更大，考慮到整個(gè)工廠車(chē)間。最后一點(diǎn)但并非最不重要的一點(diǎn)，也是我們將在本期文章中需要討論的最重要的內(nèi)容，

△數(shù)字孿生如何與 3D 打印配合使用的圖示（照片來(lái)源：Zhang、Li、Xiaoqi Chen、WeiZhou、Taobo Cheng、Lijia Chen、ZhenGuo、Bing Han 和Longxing Lu）

為什么將數(shù)字孿生集成到增材制造中？

數(shù)字孿生與 3D 打印的結(jié)合也有很多好處。尤其是在零件質(zhì)量控制方面。盡管增材制造與快速原型制造的起源相比已經(jīng)發(fā)生了很大變化，隨著越來(lái)越多的最終用途零件進(jìn)入市場(chǎng)，質(zhì)量控制仍然是一個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，由于其本質(zhì)，增材制造通常需要進(jìn)行大量測(cè)試，以確保參數(shù)正確，從而防止打印失敗。但這與增材制造的兩個(gè)最大優(yōu)勢(shì)，即成本和減少材料浪費(fèi)卻背道而馳。

值得慶幸的是，通過(guò)使用數(shù)字孿生，這個(gè)問(wèn)題可以得到解決。由于反饋帶來(lái)的持續(xù)數(shù)據(jù)流，數(shù)字孿生允許用戶直接評(píng)估參數(shù)。這又允許優(yōu)化所述參數(shù)而無(wú)需物理測(cè)試。此外，借助數(shù)字孿生，可以在整個(gè) 3D 打印過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高最終打印的準(zhǔn)確性。這使得增材制造的質(zhì)量控制更加可靠。當(dāng)涉及更多工業(yè)流程時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，包括通過(guò)激光粉末床工藝等方法進(jìn)行金屬增材制造，因?yàn)樗�還可以提高一致性。

此外，如上所述，數(shù)字孿生不僅僅用于單個(gè)零件。事實(shí)上，它們可以為整個(gè)工廠車(chē)間制造。這將使增材制造的工業(yè)化變得更加可行，因?yàn)?3D 打印機(jī)農(nóng)場(chǎng)不僅可以在個(gè)體層面上進(jìn)行優(yōu)化，而且可以在整體層面上進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更有效的生產(chǎn)。

這并不是說(shuō)仍然存在挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生的實(shí)際定義和開(kāi)發(fā)仍然相當(dāng)困難，尤其是因?yàn)樵S多學(xué)者已經(jīng)注意到該框架本身還沒(méi)有得到很好的理解。然而，數(shù)字孿生和 3D 打印結(jié)合使用得越多，克服這一障礙的速度就越快。這種情況已然不是個(gè)例，特別是隨著人工智能和更復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)工具的使用增加。南極熊詳細(xì)，隨著數(shù)字孿生和 3D 打印技術(shù)的結(jié)合不斷深入，未來(lái)我們一定會(huì)看到更有趣的變化。

△我們可能會(huì)看到數(shù)字孿生在 3D 打印中的應(yīng)用不斷增加，尤其是渦輪機(jī)等零件（照片來(lái)源：柯尼卡美能達(dá)）