為什么要將數(shù)字孿生集成到3D打印中

南極熊導(dǎo)讀：你是否聽(tīng)說(shuō)過(guò)數(shù)字孿生（Digital Twin）,？這一概念最早在20世紀(jì)60年代提出，初衷是為了創(chuàng)建阿波羅任務(wù)的動(dòng)態(tài)模型,，以便通過(guò)包含數(shù)字組件的航天器物理模型來(lái)評(píng)估可能的故障情況,。自那時(shí)以來(lái)，這一概念不斷演進(jìn),，但核心思想保持不變,。

本質(zhì)上，數(shù)字孿生是一種虛擬模型,，旨在精確反映物理對(duì)象的狀態(tài),。根據(jù)IBM的定義,，數(shù)字孿生是“對(duì)象或系統(tǒng)的虛擬表示,，它涵蓋其整個(gè)生命周期,，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,，同時(shí)利用模擬,、機(jī)器學(xué)習(xí)和推理來(lái)支持決策過(guò)程,�,！彪m然數(shù)字孿生常被與建�,；煜�,，但它遠(yuǎn)不止于此,。數(shù)字孿生中使用的算法和數(shù)學(xué)運(yùn)算使用戶(hù)能夠預(yù)測(cè)零件的行為,，特別是在使用3D打印技術(shù)制造的零件時(shí)尤為重要,。

目前，數(shù)字孿生已經(jīng)在從制造業(yè)到醫(yī)療業(yè),，甚至室內(nèi)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域找到了應(yīng)用場(chǎng)景,。此外，它們?cè)谠霾闹圃熘械膽?yīng)用也日益增加,。根據(jù)Markets and Markets的數(shù)據(jù),，數(shù)字孿生市場(chǎng)在2022年的估值為69億美元（約492億人民幣），預(yù)計(jì)到2027年將增長(zhǎng)至約735億美元（約合5246億人民幣）,。這一發(fā)展趨勢(shì)屬實(shí)令人驚訝,。那么，在3D打印中使用數(shù)字孿生的具體好處是什么,？在應(yīng)用之前需要了解哪些信息,？南極熊對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)研究。

△未來(lái),，數(shù)字孿生將在3D打印中的應(yīng)用日益廣泛,，尤其是對(duì)于渦輪機(jī)等部件

在3D打印中使用數(shù)字孿生

數(shù)字孿生和增材制造被廣泛認(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,，這兩者才開(kāi)始結(jié)合起來(lái),。值得注意的是，許多研究表明,，3D打印與數(shù)字孿生的結(jié)合非常契合,。這是因?yàn)樵霾闹圃毂举|(zhì)上就是一種數(shù)字化過(guò)程。從在線設(shè)計(jì)到切片軟件,，再到監(jiān)控整個(gè)打印過(guò)程的程序,，自動(dòng)化和人工智能已經(jīng)在增材制造中找到了重要的應(yīng)用。數(shù)字孿生則是可以進(jìn)一步增強(qiáng)這一過(guò)程的工具,。

那么,，如何有效地將數(shù)字孿生應(yīng)用于3D打印呢？首先,，我們需要考慮將數(shù)字孿生集成到3D打印中的具體流程,。如前所述，數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是3D模型,，這可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件或生成設(shè)計(jì)軟件來(lái)創(chuàng)建,。此外，3D掃描技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越普及,，因?yàn)樗�能夠生成相關(guān)部件的精確模型,。除了初始設(shè)計(jì)之外，目前市場(chǎng)上已有多款專(zhuān)門(mén)為數(shù)字孿生（包括3D打�,。┰O(shè)計(jì)的軟件程序,，例如西門(mén)子、Simio或Netfabb,。這些軟件簡(jiǎn)化了數(shù)字孿生的集成過(guò)程,，從而推動(dòng)了增材制造的廣泛應(yīng)用。更重要的是,，由于數(shù)字孿生能夠真實(shí)重建產(chǎn)品,，它在備件逆向工程等應(yīng)用場(chǎng)景中的潛力也顯而易見(jiàn)。

△數(shù)字孿生與3D打印技術(shù)對(duì)于工業(yè)發(fā)展密不可分

最后,，值得注意的是,，數(shù)字孿生有多種不同形式，這一點(diǎn)也需特別考慮,。根據(jù)報(bào)告顯示,，數(shù)字孿生可分為四類(lèi)，適用于增材制造：過(guò)程數(shù)字孿生,、設(shè)備數(shù)字孿生,、設(shè)施數(shù)字孿生和產(chǎn)品數(shù)字孿生,。顧名思義，這些類(lèi)別針對(duì)制造過(guò)程中的不同領(lǐng)域,。過(guò)程數(shù)字孿生用于復(fù)制3D打印過(guò)程的數(shù)字版本,，以支持設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù),。同樣,，設(shè)備數(shù)字孿生能夠復(fù)制打印機(jī)，為維護(hù)工作提供重要信息,。設(shè)施數(shù)字孿生則是前兩者的結(jié)合,，涵蓋整個(gè)工廠車(chē)間的規(guī)模。最后,，產(chǎn)品數(shù)字孿生是針對(duì)產(chǎn)品和零件的虛擬表示,，可以進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試,、設(shè)計(jì)和分析,，以預(yù)測(cè)其性能。

△數(shù)字孿生如何與3D打印配合使用的示例

為什么要將數(shù)字孿生集成到3D打印技術(shù)中

數(shù)字孿生與3D打印的結(jié)合也帶來(lái)了許多好處,，特別是在零件質(zhì)量控制方面,。盡管3D打印已經(jīng)從最初的快速成型技術(shù)發(fā)生了很大變化,，但隨著越來(lái)越多的最終用途零件進(jìn)入市場(chǎng),，質(zhì)量控制仍然是一個(gè)問(wèn)題。實(shí)際上,，由于其本質(zhì),，3D打印通常需要進(jìn)行大量測(cè)試以確保正確的參數(shù)，以防止打印失敗,。但這與該技術(shù)的兩個(gè)最大優(yōu)勢(shì)（即成本和材料減少）形成了鮮明對(duì)比,。

幸運(yùn)的是，數(shù)字孿生可以有效解決這一問(wèn)題,。數(shù)字孿生允許用戶(hù)通過(guò)反饋產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流直接評(píng)估參數(shù),，這反過(guò)來(lái)又允許優(yōu)化這些參數(shù)而無(wú)需進(jìn)行物理測(cè)試。此外,，使用數(shù)字孿生,，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)3D打印過(guò)程，從而提高最終打印的準(zhǔn)確性,。這使得3D打印的質(zhì)量控制更加可靠,，尤其是在更工業(yè)化的流程中，包括通過(guò)激光粉末床工藝等方法進(jìn)行的金屬3D打印,，因?yàn)樗�也可以提高一致�?/strong>,。

此外,，如上所述，數(shù)字孿生不僅適用于單個(gè)部件,。事實(shí)上,，它們可以用于整個(gè)工廠車(chē)間。這將使工業(yè)化的增材制造變得尤為可行,，因?yàn)?D打印機(jī)“農(nóng)場(chǎng)”不僅可以在個(gè)體層面進(jìn)行優(yōu)化,，還可以在整個(gè)車(chē)間進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn),。

盡管如此,，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然會(huì)遇到一些困難和問(wèn)題。數(shù)字孿生的實(shí)際定義和開(kāi)發(fā)仍然相當(dāng)困難,，尤其是因?yàn)檫@個(gè)框架本身尚不為人熟知,。然而，數(shù)字孿生與3D打印結(jié)合的速度越快,，克服這些障礙的過(guò)程也會(huì)越快,。而且這種情況已經(jīng)在更大范圍內(nèi)發(fā)生，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,。我們期待看到數(shù)字孿生和3D打印在未來(lái)如何進(jìn)一步結(jié)合以及其發(fā)展的新動(dòng)態(tài),。