智能工厂中的增材制造：成功的 5 个关键
[图片来源：3D Systems]
数字技术的发展从根本上改变了制造工厂的运作方式。设施的互联程度越来越高，为未来的工厂（也称为智能工厂）铺平了道路。
如今，超过三分之一的工厂已转变为智能设施，公司计划在未来五年内再建设 40%。
促进向智能工厂转变的关键技术之一是增材制造 (AM)，这是一种必不可少的数字制造方法。
然而，将 AM 集成到智能工厂中会带来一系列挑战。除了缺乏连接性和可追溯性之外，公司在基于可持续性原则建立自动化和安全的 AM 工作流程时还面临着困难。
如果不及早考虑这些因素，希望将 AM 纳入其智能工厂的制造商将难以随着业务的增长而扩大技术的使用。
下面，我们将深入探讨将 AM 集成到智能工厂中必不可少的五项要求，并分享将在您的智能制造之旅中为您提供支持的技巧、解决方案和方法。
根据凯捷的报告，为了从智能工厂中获益，近 70% 的制造商已经开始了数字化转型之旅。
在这种数字化背景下，增材制造正迅速成为一项关键的数字化制造技术。
通过 AM 或 3D 打印，制造零件的过程由软件控制，使其成为高度数字化的过程。它涉及在 CAD 中创建 3D 模型，然后将其转换为二维图层，然后在打印过程中一个接一个地应用。与依赖模具或切割工具的传统工艺不同，AM 中唯一需要的工具是 3D 打印机。
尽管 AM 有很多好处，但许多组织仍在努力充分利用增材制造作为智能工厂解决方案。其原因通常在于缺乏在智能工厂中扩展 AM 所需的连接性、自动化和安全性等。
在增材制造中，数据在生产的每个阶段不断生成。这包括来自硬件和材料的数据，以及来自不同软件系统（ERP、PLM）的数据。
为了能够将这些数据用于洞察力和运营改进，确保没有任何设备或数据位处于孤立状态至关重要。
工业物联网 (IIoT) 是通过使用传感器、发射器、软件和网络来增强连接性和数据收集能力的关键技术。
IIoT 能够消除操作技术（AM 机器和其他设备）和信息技术（软件和网络）之间的孤岛，以确保数据的连续、实时传输。
虽然新一代 3D 打印机配备了 IIoT 功能，但制造商仍在努力收集和分析 IIoT 提供的数据。使用 AM 数据的主要挑战之一是断开的系统和手动流程，它们不允许实时访问数据。
实现更好的连接性和数据访问的一种方法是使用可以将您的机器和软件系统（如 ERP、PLM）链接到单个系统中的专用软件。
通过制造执行系统 (MES) 软件可以建立这样的系统，该软件充当连接 AM 流程的集中平台。
MES 软件支持的连接性让数据触手可及，使您能够建立无缝的实时相关 AM 数据流，支持完全可追溯性和敏捷决策。
例如，用于 AM 的 MES 软件可以提供仪表板功能来跟踪和记录与整体设备效率 (OEE) 相关的 KPI，例如机器使用情况、生产输出和维修时间。
这反过来又可以优化增材制造生产计划，从而支持在您的数字工厂中先进地使用增材制造。
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当今 AM 的最大限制因素之一是重复性任务的人工成本。这就是为什么将 AM 引入智能工厂的关键在于端到端的自动化。
通过硬件和软件以及机器人、传感器和网络的结合，自动化可确保作为端到端数字化生产周期的一部分的更简化流程。
AM 自动化涵盖了 AM 工作流程的各个层面，从设计到生产，再到零件处理和后处理。
在设计阶段，目前有一些解决方案可以帮助自动化设计过程的某些部分，例如支持生成。
此外，拓扑优化等设计工具也在不断发展，以帮助生成和验证针对给定应用和工程要求的最佳 AM 设计。
在生产阶段，有机会在 MES 软件的帮助下简化生产计划和管理。该软件通过使用单一数字平台取代了人工订单处理和项目管理等劳动密集型流程。
此外，通过使用传感器，3D 打印硬件变得更加自动化，从而实现全过程监控。公司如何从更智能的硬件中受益的一个例子是远程维护，如果出现故障，公司可以更快地找到解决方案以确保高 OEE。
在所有 AM 工作流程阶段中，AM 后处理长期以来一直是自动化程度最低的。现在这种情况正在发生变化，引入了面向 3D 打印部件的自动清洁、去粉、支撑去除和染色的后处理系统。
机器人和自动导引车通过简化零件处理和装载/上传操作，在 AM 过程自动化中也发挥着越来越大的作用。
可追溯性是目前采用 AM 进行生产的公司面临的主要问题之一。
在制造中，可追溯性意味着能够在整个制造过程中跟踪每个零件和产品，从原材料进入工厂的那一刻到最终产品发货的那一刻。
可追溯性的重要性不仅限于可能的产品召回——它还涉及提高生产过程中的可见性并使您能够跟踪关键数据并优化流程。
AM 生产过程中对可追溯性的需求受到多种因素的推动，包括：
对此的一个挑战是追踪重复使用材料的能力。例如，在金属粉末床融合技术中，印刷过程完成后，仍有一些金属粉末未熔化，可以过筛，然后与新粉末按指定比例混合。
材料再利用过程必须是可追溯的，以便最终用户可以放心，他们正在使用高质量的材料来制造关键部件。
目前有几种软件解决方案可用于跟踪粉末的来源、回收次数以及使用过的版本。
此外，批次可追溯性对于确保每批次中的零件符合任何安全或质量标准至关重要。
例如，如果某个部件出现故障，则需要确定根本原因。拥有一个允许操作员跟踪零件故障原因的系统是工作中可追溯性的一个基本示例。如果手头没有正确的数据，就不可能实现这种级别的可追溯性。
AM 公司为实现可追溯性而采用的系统示例之一是 MES。 MES 软件支持的端到端可追溯性可以通过数据分析和商业智能工具建立更有效的质量管理流程。
能够准确跟踪您的 3D 文件和零件发生了什么，以及在产品生命周期中何时为 AM 增加了一个新的流程质量水平，因为公司可以在出现错误或故障时轻松查看关键数据并优化流程。
建立可追溯的 AM 运营是将该技术用于生产的第一步，因为它有助于确保整个供应链的透明度和问责制，并证明产品符合某些标准并符合行业法规。
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在智能工厂中，传统的线性“获取、制造、处置”生产模式不再可行。智能制造意味着可持续制造，企业追求循环经济，保护和再利用资源，从材料原料到消耗品。
由于能够生产需要更少生产材料的更高效设计，AM 通常被视为一种可持续技术。
尽管有这些好处，但仍有改进的余地。要在智能工厂中可持续地使用增材制造，重要的是要考虑关键的可持续性原则：
从可持续性的角度来看，能源消耗率与环境因素直接相关，例如二氧化碳排放。
增材制造，尤其是金属增材制造，绝不是一种低能耗技术。
让 AM 成为您智能制造的一部分需要您想办法抵消高能耗。
一种方法是选择适合该技术的应用程序并尽可能优化其设计。优化的设计成本更低，生产速度更快。此外，更好的设计有利于系统，其中将使用增材制造的零件（例如，汽车或飞机），使其更节能。
尽可能长时间使用材料
另一个需要考虑的重要可持续性因素是增材制造材料的可回收性和再利用性。
虽然增材制造中使用的聚合物在大多数情况下可以轻松回收利用，但对材料可持续利用的最大担忧来自金属增材制造。
在采用使用粉末金属的金属增材制造技术时，建立适当回收和再利用金属粉末的流程至关重要。例如，这包括制定严格的混合使用和未使用粉末的制度，以确保材料可追溯性。
除了增材制造粉末再利用外，该行业还在开发将废料回收成适合增材制造的粉末的方法。
例如，前身为 Amastan Technologies 的 6K 正在通过其 UniMelt 工艺为完全循环经济做出贡献。它使用一种专有方法将加工产生的废料（如车屑和切屑，以及 AM 支撑和报废零件）机械研磨成细颗粒。然后将它们送入等离子系统以生产高质量的粉末。
管理废物
AM 的现实是，它并非天生就没有浪费。废物的主要来源有两个，一个是后处理废物，另一个是打印失败。
在大多数情况下，通过在设计和建造准备阶段考虑这些废物流，可以大大减少它们。
例如，工程师可以优化支撑结构，从而减少打印完成后需要移除的支撑结构材料。
借助模拟软件可以防止打印失败，从而了解零件在打印过程中的行为。通过模拟，预测会导致打印失败的打印问题并在设计阶段弥补这些问题变得越来越容易。
最终，通过正确的方法，建立几乎无浪费的增材制造工艺的可能性是触手可及的。
随着行业采取行动以获取智能制造带来的商业价值，解决网络安全问题的需求空前高涨。
如果没有对 AM 数据进行完整性、保密性和权限管理，公司将无法在智能工厂中扩展 AM。
支持这一点的事实是，由于安全风险，超过三分之一的制造商不愿投资数字技术。
对 AM 等数字技术安全性的担忧是有根据的。数字文件包含与产品规格和零件生产方式相关的数据。
未经授权访问此类数据可能对企业产生严重影响，例如数据被盗或篡改，对公司知识产权的完整性构成重大威胁。
在传统制造业中，一件物品的失窃通常不会转化为可观的收入损失。对于 AM，后果可能会严重得多。
一旦设计文件遭到破坏，未经授权的人就可以访问零件的专有设计特征，只要他们拥有合适的设备，他们就可以根据需要随时复制对象。
因此，在智能工厂内和向外部合作伙伴安全地数字传输 AM 数据对于确保数据完整性至关重要。
要保护整个智能工厂中的 AM 数据，您需要关注几件事。
教育你的人
首先，您需要承认用户可能是您最大的威胁。员工可能会犯错误，使您公司的数据或系统面临风险，这通常是因为他们没有接受必要的培训来教他们如何保护他们所从事的业务。
这就是为什么教育员工并激励他们关注网络威胁和对策必须成为您的首要任务。
管理对您数据的访问
其次，您需要关注如何管理对数据的访问，以及遵循加密和强身份验证实践。
几家公司正在为 AM 开发安全解决方案，使您能够加密设计文件，因此只有授权用户才能访问所附数据。
切换到安全文件格式
另一个考虑是采用支持安全数据传输和互操作性的标准化文件格式。
虽然 AM 行业继续依赖老式的 .stl 文件格式，但已采取措施将其替换为更高效的文件格式，称为 .3mf。与 .stl 相比，新文件格式在设计时考虑了数据保护功能，可防止数据的商业滥用或数据损坏。
投资于具有安全功能的 AM 硬件
此外，随着 3D 打印机连接性的增加，您需要在采购过程中要求安全。由于您的 AM 设备将为您服务多年，因此需要将安全功能集成到设备的设计中，以便在高度连接的工厂网络中更轻松地进行维护和保护。
虽然保护 AM 的可能性有很多，但归根结底是没有单一的解决方案可以解决所有问题。相反，需要各种技术才能在整个生命周期中充分保护生产级 AM。
一种解决方案是采用增材制造等数字技术，作为推动智能制造的一部分。
虽然许多公司采用 AM，但他们需要使用正确的工具和流程来建立可追溯、自动化、安全且可持续的工作流程。
这些要求的很大一部分可以在 MES 的帮助下实现，MES 专为 AM 技术的独特需求而设计。
Additive MES 软件使制造商能够将生产计划、调度和实施链接到一个数字线程中，该线程使用数据在整个组织中实现更高的可见性并建立最佳实践流程。
只有拥有战略目标和正确的工具和技术，制造商才能为未来工厂的长期增材制造成功奠定基础。 
增材制造如何融入智能工厂？
将 AM 成功集成到智能工厂的 5 个关键
随着 AM 逐渐成熟并成为智能制造生态系统的一部分，我们确定了它的 5 个基本要求。
1.连接和数据管理
2.自动化
3.可追溯性
随着法规、报告和质量控制要求的发挥，如果要将 AM 集成到智能工厂中，就必须解决当前整个 AM 生态系统和供应链缺乏可追溯性的问题。
4.可持续性
降低能耗 5.端到端安全
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3D打印