關(guān)于3D打印中的數(shù)字孿生：你需要了解的一切
時間：2023-06-26 09:23 來源：3D科學(xué)谷 作者：admin 閱讀：次
您聽說過數(shù)字孿生嗎？這個想法最初是在 20 世紀(jì) 60
年代提出的，旨在創(chuàng)建阿波羅任務(wù)的動態(tài)模型，以便通過帶有數(shù)字組件的車輛物理模型來幫助評估其失敗情況。從那時起，這個概念不斷發(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)字孿生是專門為準(zhǔn)確反映物理對象而設(shè)計(jì)的虛擬模型。不僅如此，根據(jù)
IBM
的說法，數(shù)字孿生可以被視為“一個物體或系統(tǒng)的虛擬對象，能夠跨越其生命周期，根據(jù)實(shí)時數(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，它們越來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 年的市場價值預(yù)計(jì)達(dá)到69億美元，到 2027 年將增長至約
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，需要首先對該技術(shù)有一個詳細(xì)的了解。
△數(shù)字孿生越來越多地被用作工業(yè) 4.0 的一部分（圖片來源：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，兩者才開始結(jié)合起來。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)控整個打印過程的程序，自動化和人工智能已經(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)字孿生的過程。如前所述，數(shù)字孿生從 3D
模型開始。這可以通過CAD或生成設(shè)計(jì)軟件來完成。此外，3D
掃描也越來越多地被使用，因?yàn)樗梢詣?chuàng)建相關(guān)零件的完美模型。除了最初的設(shè)計(jì)之外，市場上已經(jīng)有許多專門設(shè)計(jì)用于數(shù)字孿生（包括 3D
打印）的軟件程序。以西門子、Simio 或 Netfabb
的產(chǎn)品為例。這簡化了集成，從而進(jìn)一步推廣了在增材制造中的普遍使用。更不用說，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)一份報告，增材制造的數(shù)字孿生可分為四類：
- 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，它們針對制造過程中的不同領(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，考慮到整個工廠車間。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，隨著越來越多的最終用途零件進(jìn)入市場，質(zhì)量控制仍然是一個問題。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最大優(yōu)勢，即成本和減少材料浪費(fèi)卻背道而馳。
值得慶幸的是，通過使用數(shù)字孿生，這個問題可以得到解決。由于反饋帶來的持續(xù)數(shù)據(jù)流，數(shù)字孿生允許用戶直接評估參數(shù)。這又允許優(yōu)化所述參數(shù)而無需物理測試。此外，借助數(shù)字孿生，可以在整個
3D
打印過程中進(jìn)行實(shí)時監(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，這一點(diǎn)尤其重要，包括通過激光粉末床工藝等方法進(jìn)行金屬增材制造，因?yàn)樗�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零件。事實(shí)上，它們可以為整個工廠車間制造。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)場不僅可以在個體層面上進(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)。
這并不是說仍然存在挑戰(zhàn)。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)樵S多學(xué)者已經(jīng)注意到該框架本身還沒有得到很好的理解。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，未來我們一定會看到更有趣的變化。
△我們可能會看到數(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（照片來源：柯尼卡美能達(dá)）
(責(zé)任編輯：admin)
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