增材制造工厂中的数字孪生
从热机械仿真到工业 4.0 中的完整数据文件。
1。简介：计算机中的工厂
使用金属 3D 打印制造组件非常复杂。在 20 台打印机上同时生产 50 个部件，对其进行除粉、热处理 (HIP)、数控铣削并进行认证，这是一个高度复杂的物流和物理系统。如果这个链条出现错误，就会造成巨大的经济损失。
工业 4.0 对这种混乱的最终答案是“数字孪生”。它是物理组件、打印过程和整个工厂的精确、虚拟和动态的图像。
数字孪生与 CAD 模型有何区别？
CAD 模型（例如 STEP 文件）是静态图像。它显示了组件应该是什么样子。数字孪生是“活的”。它实时接收来自工厂的真实数据（通过物联网传感器）：坐标 X 处的激光有多热、使用了哪一批粉末、谁打开了机器门？它保存其创建的整个历史记录（数字线程）。
2。进程双胞胎
在实体机器熔化一克粉末之前，打印就已经虚拟地进行了。
热机械仿真软件（例如 Simufact 或 Ansys）创建过程孪生。这可以计算热量在组件中的分布情况、内部应力的产生位置以及组件向上弯曲（翘曲）的位置。双胞胎优化了支撑结构并在计算机中完全补偿了变形（预变形）。通过虚拟试运行，物理机的“一次成功”率大幅提升。
3。组件孪生（As-Built Twin）
在真机打印的同时，现场监控摄像头和传感器（声发射）收集数十亿个数据点。该软件同时使用该数据创建组件的虚拟 3D 模型（体素模型）。
这个竣工的双胞胎以红色突出显示了每一个微小的温度偏差和每一个潜在的绑定错误。工程师可以使用计算机准确地查看物理组件是否有内部孔隙，而无需使用昂贵的 X 射线 CT 扫描仪。
4。工厂双胞胎
在最高层，制造执行系统 (MES) 以数字方式映射整个工厂车间。
工厂双胞胎知道 4 号机器将在三个小时内准备就绪。他立即计算（使用人工智能例程）工业卡车的最佳路径，及时订购正确的氩气瓶包到除粉站，并预订周二下午 2 点的数控铣床。它模拟“假设”场景：“如果今天机器 2 发生故障，交货时间会怎样？”
5。结论：数据是新的巨头
在航空航天领域（以及美国联邦航空局等权威机构），适用这一原则：组件的好坏取决于其文档。如果没有完整的可追溯性，任何发动机部件都不得内置于飞机中。数字孪生将设计、仿真、制造数据和认证捆绑在一个无损（通常受区块链保护）文件中，因此是每个现代 AM 系列工厂实际的、隐形的产品。