為什么要將數(shù)字孿生集成到3D打印中

南極熊導(dǎo)讀：你是否聽說(shuō)過(guò)數(shù)字孿生（Digital Twin）？這一概念最早在20世紀(jì)60年代提出，初衷是為了創(chuàng)建阿波羅任務(wù)的動(dòng)態(tài)模型，以便通過(guò)包含數(shù)字組件的航天器物理模型來(lái)評(píng)估可能的故障情況。自那時(shí)以來(lái)，這一概念不斷演進(jìn)，但核心思想保持不變。

本質(zhì)上，數(shù)字孿生是一種虛擬模型，旨在精確反映物理對(duì)象的狀態(tài)。根據(jù)IBM的定義，數(shù)字孿生是“對(duì)象或系統(tǒng)的虛擬表示，它涵蓋其整個(gè)生命周期，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，同時(shí)利用模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)和推理來(lái)支持決策過(guò)程�！彪m然數(shù)字孿生常被與建�；煜�，但它遠(yuǎn)不止于此。數(shù)字孿生中使用的算法和數(shù)學(xué)運(yùn)算使用戶能夠預(yù)測(cè)零件的行為，特別是在使用3D打印技術(shù)制造的零件時(shí)尤為重要。

目前，數(shù)字孿生已經(jīng)在從制造業(yè)到醫(yī)療業(yè)，甚至室內(nèi)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域找到了應(yīng)用場(chǎng)景。此外，它們?cè)谠霾闹圃熘械膽?yīng)用也日益增加。根據(jù)Markets and Markets的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生市場(chǎng)在2022年的估值為69億美元（約492億人民幣），預(yù)計(jì)到2027年將增長(zhǎng)至約735億美元（約合5246億人民幣）。這一發(fā)展趨勢(shì)屬實(shí)令人驚訝。那么，在3D打印中使用數(shù)字孿生的具體好處是什么？在應(yīng)用之前需要了解哪些信息？南極熊對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)研究。

△未來(lái)，數(shù)字孿生將在3D打印中的應(yīng)用日益廣泛，尤其是對(duì)于渦輪機(jī)等部件

在3D打印中使用數(shù)字孿生

數(shù)字孿生和增材制造被廣泛認(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，這兩者才開始結(jié)合起來(lái)。值得注意的是，許多研究表明，3D打印與數(shù)字孿生的結(jié)合非常契合。這是因?yàn)樵霾闹圃毂举|(zhì)上就是一種數(shù)字化過(guò)程。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重要的應(yīng)用。數(shù)字孿生則是可以進(jìn)一步增強(qiáng)這一過(guò)程的工具。

那么，如何有效地將數(shù)字孿生應(yīng)用于3D打印呢？首先，我們需要考慮將數(shù)字孿生集成到3D打印中的具體流程。如前所述，數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是3D模型，這可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件或生成設(shè)計(jì)軟件來(lái)創(chuàng)建。此外，3D掃描技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越普及，因?yàn)樗�能夠生成相關(guān)部件的精確模型。除了初始設(shè)計(jì)之外，目前市場(chǎng)上已有多款專門為數(shù)字孿生（包括3D打�。┰O(shè)計(jì)的軟件程序，例如西門子、Simio或Netfabb。這些軟件簡(jiǎn)化了數(shù)字孿生的集成過(guò)程，從而推動(dòng)了增材制造的廣泛應(yīng)用。更重要的是，由于數(shù)字孿生能夠真實(shí)重建產(chǎn)品，它在備件逆向工程等應(yīng)用場(chǎng)景中的潛力也顯而易見(jiàn)。

△數(shù)字孿生與3D打印技術(shù)對(duì)于工業(yè)發(fā)展密不可分

最后，值得注意的是，數(shù)字孿生有多種不同形式，這一點(diǎn)也需特別考慮。根據(jù)報(bào)告顯示，數(shù)字孿生可分為四類，適用于增材制造：過(guò)程數(shù)字孿生、設(shè)備數(shù)字孿生、設(shè)施數(shù)字孿生和產(chǎn)品數(shù)字孿生。顧名思義，這些類別針對(duì)制造過(guò)程中的不同領(lǐng)域。過(guò)程數(shù)字孿生用于復(fù)制3D打印過(guò)程的數(shù)字版本，以支持設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。同樣，設(shè)備數(shù)字孿生能夠復(fù)制打印機(jī)，為維護(hù)工作提供重要信息。設(shè)施數(shù)字孿生則是前兩者的結(jié)合，涵蓋整個(gè)工廠車間的規(guī)模。最后，產(chǎn)品數(shù)字孿生是針對(duì)產(chǎn)品和零件的虛擬表示，可以進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試、設(shè)計(jì)和分析，以預(yù)測(cè)其性能。

△數(shù)字孿生如何與3D打印配合使用的示例

為什么要將數(shù)字孿生集成到3D打印技術(shù)中

數(shù)字孿生與3D打印的結(jié)合也帶來(lái)了許多好處，特別是在零件質(zhì)量控制方面。盡管3D打印已經(jīng)從最初的快速成型技術(shù)發(fā)生了很大變化，但隨著越來(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。實(shí)際上，由于其本質(zhì)，3D打印通常需要進(jìn)行大量測(cè)試以確保正確的參數(shù)，以防止打印失敗。但這與該技術(shù)的兩個(gè)最大優(yōu)勢(shì)（即成本和材料減少）形成了鮮明對(duì)比。

幸運(yùn)的是，數(shù)字孿生可以有效解決這一問(wèn)題。數(shù)字孿生允許用戶通過(guò)反饋產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流直接評(píng)估參數(shù)，這反過(guò)來(lái)又允許優(yōu)化這些參數(shù)而無(wú)需進(jìn)行物理測(cè)試。此外，使用數(shù)字孿生，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)3D打印過(guò)程，從而提高最終打印的準(zhǔn)確性。這使得3D打印的質(zhì)量控制更加可靠，尤其是在更工業(yè)化的流程中，包括通過(guò)激光粉末床工藝等方法進(jìn)行的金屬3D打印，因?yàn)樗�也可以提高一致�?/strong>。

此外，如上所述，數(shù)字孿生不僅適用于單個(gè)部件。事實(shí)上，它們可以用于整個(gè)工廠車間。這將使工業(yè)化的增材制造變得尤為可行，因?yàn)?D打印機(jī)“農(nóng)場(chǎng)”不僅可以在個(gè)體層面進(jìn)行優(yōu)化，還可以在整個(gè)車間進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)。

盡管如此，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然會(huì)遇到一些困難和問(wèn)題。數(shù)字孿生的實(shí)際定義和開發(fā)仍然相當(dāng)困難，尤其是因?yàn)檫@個(gè)框架本身尚不為人熟知。然而，數(shù)字孿生與3D打印結(jié)合的速度越快，克服這些障礙的過(guò)程也會(huì)越快。而且這種情況已經(jīng)在更大范圍內(nèi)發(fā)生，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。我們期待看到數(shù)字孿生和3D打印在未來(lái)如何進(jìn)一步結(jié)合以及其發(fā)展的新動(dòng)態(tài)。