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數字孿生與 3D 打印的融合開啟工業新未來

2024-08-20

你是否對數字孿生這一概念有所耳聞？早在20世紀60年代，數字孿生的概念便已提出，最初是為了創建阿波羅任務的動態模型，以便通過帶有數字組件的航天器物理模型來評估可能出現的故障情況。從那時起，數字孿生的概念不斷演進，但其核心思想始終未變。

本質上，數字孿生是一種虛擬模型，其目的在于精準地反映物理對象的狀態。正如IBM所定義的那樣，數字孿生是“對象或系統的虛擬表示，它涵蓋其整個生命周期，并根據實時數據進行更新，同時利用模擬、機器學習和推理來支持決策過程。”雖然數字孿生常常被與建模相混淆，但它的作用遠不止于此。數字孿生中所使用的算法和數學運算能夠讓用戶預測零件的行為，這在使用3D打印技術制造零件時顯得尤為重要。

目前，數字孿生已經在從制造業到醫療業，乃至室內設計等眾多領域找到了應用場景。此外，它在增材制造中的應用也在不斷增加。根據MarketsandMarkets的數據，數字孿生市場在2022年的估值為69億美元（約492億人民幣），預計到2027年將增長至約735億美元（約合5246億人民幣），這一發展趨勢著實令人驚嘆。那么，在3D打印中使用數字孿生具體有哪些好處呢？在應用之前又需要了解哪些信息呢？讓我們一同深入探究。

在3D打印中使用數字孿生，數字孿生和增材制造被廣泛認為在工業4.0中起著關鍵作用。然而，直到近幾年，這兩者才開始緊密結合。值得注意的是，許多研究表明，3D打印與數字孿生的結合可謂天作之合。這是因為增材制造本質上就是一個數字化的過程。從在線設計到切片軟件，再到監控整個打印過程的程序，自動化和人工智能已經在增材制造中找到了重要的應用之地。而數字孿生則是能夠進一步增強這一過程的有力工具。

那么，如何將數字孿生有效地應用于3D打印呢？首先，我們需要考慮將數字孿生集成到3D打印中的具體流程。如前所述，數字孿生的基礎是3D模型，這可以通過計算機輔助設計（CAD）軟件或生成設計軟件來創建。此外，3D掃描技術的應用也越來越廣泛，因為它能夠生成相關部件的精確模型。除了初始設計之外，目前市場上已有多款專門為數字孿生（包括3D打印）設計的軟件程序，例如西門子、Simio或Netfabb。這些軟件簡化了數字孿生的集成過程，從而推動了增材制造的廣泛應用。更重要的是，由于數字孿生能夠真實地重建產品，它在備件逆向工程等應用場景中的潛力也顯而易見。

最后，需要特別注意的是，數字孿生有多種不同的形式。根據報告顯示，數字孿生可分為四類，適用于增材制造：過程數字孿生、設備數字孿生、設施數字孿生和產品數字孿生。顧名思義，這些類別針對制造過程中的不同領域。過程數字孿生用于復制3D打印過程的數字版本，以支持設計、生產和維護。同樣，設備數字孿生能夠復制打印機，為維護工作提供重要信息。設施數字孿生則是前兩者的結合，涵蓋整個工廠車間的規模。最后，產品數字孿生是針對產品和零件的虛擬表示，可以進行優化、測試、設計和分析，以預測其性能。

為什么要將數字孿生集成到3D打印技術中呢？數字孿生與3D打印的結合帶來了許多好處，特別是在零件質量控制方面。盡管3D打印已經從最初的快速成型技術發生了巨大的變化，但隨著越來越多的最終用途零件進入市場，質量控制仍然是一個問題。實際上，由于其本質，3D打印通常需要進行大量的測試以確保正確的參數，以防止打印失敗。但這與該技術的兩個最大優勢（即成本和材料減少）形成了鮮明的對比。

幸運的是，數字孿生可以有效地解決這一問題。數字孿生允許用戶通過反饋產生的連續數據流直接評估參數，這反過來又允許優化這些參數而無需進行物理測試。此外，使用數字孿生，可以實時監控整個3D打印過程，從而提高最終打印的準確性。這使得3D打印的質量控制更加可靠，尤其是在更工業化的流程中，包括通過激光粉末床工藝等方法進行的金屬3D打印，因為它也可以提高一致性。

此外，如上所述，數字孿生不僅適用于單個部件。事實上，它們可以用于整個工廠車間。這將使工業化的增材制造變得尤為可行，因為3D打印機“農場”不僅可以在個體層面進行優化，還可以在整個車間進行優化，以實現更高效的生產。

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