關(guān)于3D 打印中的數(shù)字孿生：你需要了解的一切

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)實時數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，并使用模擬,、機器學(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)計達(dá)到69億美元，到 2027 年將增長至約 735億美元,，這一事實也許并不令人意外,。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,？因為就其本質(zhì)而言，增材制造是數(shù)字化的,。從在線設(shè)計到切片軟件,，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)計軟件來完成。此外,，3D 掃描也越來越多地被使用,，因為它可以創(chuàng)建相關(guān)零件的完美模型。除了最初的設(shè)計之外,，市場上已經(jīng)有許多專門設(shè)計用于數(shù)字孿生（包括 3D 打�,。┑能浖�程��,。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,、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,，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。最后一點但并非最不重要的一點,，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,，因為它還可以提高一致性。

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，因為 3D 打印機農(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)字孿生的實際定義和開發(fā)仍然相當(dāng)困難,，尤其是因為許多學(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,，尤其是渦輪機等零件（照片來源：柯尼卡美能達(dá)）