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粉末床金属3D打印技术走向经济性与高效率——规模工厂的基础

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粉末床金属3D打印技术走向经济性与高效率——规模工厂的基础

作者:
发布时间:
2019/11/11
【摘要】:
在过去的二十年中,选区激光熔化粉末床金属3D打印技术(LPBF)一直在发展,并成为潜在的批量生产解决方案。  关于增材制造技术的成本,根据欧洲机床工具协会的统计,目前金属增材制造的成本可分为四个构成部分,直接构建成本占40%,粉末材料成本占27%,后处理成本占25%,人工成本占8%。  
  在过去的二十年中,选区激光熔化粉末床金属3D打印技术(LPBF)一直在发展,并成为潜在的批量生产解决方案。
  关于增材制造技术的成本,根据欧洲机床工具协会的统计,目前金属增材制造的成本可分为四个构成部分,直接构建成本占40%,粉末材料成本占27%,后处理成本占25%,人工成本占8%。
  可以说3D打印要实现更大规模的产业化,设备与材料的价格都需要进一步降低到更为合理的水平。而就设备的发展趋势来看,模块化是选区激光熔化粉末床金属3D打印设备的发展趋势,而模块化的选项如何与成本计算建立有效的对应关系?这是困扰业界的难题。不过,近日亚琛工业大学数字增材生产DAP的研究人员开发了一种用于LPBF模块化加工仿真计算的创新方法。
 
 
来源:RWTH DAP
  经济性与灵活性的结合
  在产业化的工业应用中,经济性以及高效率是最重要的发展目标之一。因此,选区激光熔化粉末床金属3D打印技术LPBF设备供应商提供模块化和可扩展的机器设计以及辅助系统是趋势所向。
  用户可以根据自己的需要对其所需要的设备进行单独配置。3D科学谷发现这从直观层面带来两方面的节约,一方面节约设备厂商专门开发专用设备的努力,另一方面通过模块化的组合方式,带来经济性以及高效率的发展通道。
  但是这些模块以哪种方式对流程链效率产生积极影响?考虑到成本效率,哪些模块最适合给定的用户需求?当前的成本计算工具无法可靠地回答这些问题,尤其是当涉及到模块化系统或混合批次时,成本效率的计算偏差最高可达30%。
  因此,亚琛工业大学数字增材生产DAP的研究人员最近开发了一种用于选区激光熔化粉末床金属3D打印LPBF技术的成本计算的创新方法:虚拟模块仿真器方法。
 
 
机器仿真器的体系结构,接口,环境和组件。此UML组件图显示了仿真器的内部组件  来源:RWTH DAP
  虚拟模块仿真器方法使得系统供应商和系统运营商都可以就经济效益和系统模块化程度(用于最佳组合产品的生产)做出可靠的陈述。
  根据3D科学谷的市场观察,该方法已集成到整个LPBF数字工艺链中。过程控制由面向服务的体系结构(SOA)中的各个模块实例实现,可以多态实现以对不同的模块行为进行基准测试。此外,可以通过使用参数集对模块进行参数设置。
  仿真器计算的构建时间可以通过逐层比较与在双激光LPBF机器上执行的九个实际构建作业的日志时间戳进行验证。该模型的平均绝对百分比误差(MAPE)达到0.28%,相对于一般具有8.2%MAPE3的回归模型而言,有很大的改进。
  逐层分析显示平均偏差低于0.2%,标准偏差低于1%,从而几乎可以独立于几何图形预测构建时间。除了可靠的成本效益声明和系统模块化基准测试方法的优点外,几乎精确的构建时间预测还可以优化生产计划和机器利用率。
  下一步是什么?将来,仿真研究将使用经过验证的机器模型来研究模型中的各种参数变化及其对制造场景中构建给定零件组合成本的影响。
  该模型将能够预测不同机器改进的经济效益,并将此作为优化3D打印构建过程嵌套的工具。由于其OPC UA接口,它可以集成到未来的基于OPC UA的制造执行系统(MES)中,OPC UA 独立于制造商,应用可以用他通信,开发者可以用不同编程语言对他开发,不同的操作系统上可以对他支持。从而建立选区激光熔化粉末床金属3D打印技术的完整虚拟工厂。
  这项研究是由德国联邦研究与教育部(BMBF)在行业合作伙伴,Fraunhofer弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT和亚琛工业大学RWTH亚琛工业大学DAP数码光子直接生产项目(13N13710)密切合作的框架下资助的。此外,这些研究结果是“汽车增材制造的工业化和数字化(IDAM)”的一部分,该项目也由宝马BMBF资助。
  3D科学谷认为,该项目的意义在于将推动选区激光熔化粉末床金属3D打印技术走向对制造业具有经济性和市场吸引力的价格区间,并创造选区激光熔化粉末床金属3D打印设备走向专业化应用的灵活性。(来源:3D科学谷)