導語
德國弗勞恩霍夫協會2017年啟動的標桿項目“下一代增材制造”于2020年11月結束。該項目有兩項主要目標，一是建立全面的合作平臺，全面整合利用弗勞恩霍夫協會在增材制造領域的離散資源；二是建立技術儲備，從而提升定制金屬部件增材制造的擴展性、生產能力以及產品質量。項目由弗勞恩霍夫激光技術研究所（ILT）、增材制造技術研究所（IAPT）、制造技術與應用材料研究所（IFAM）、計算機圖形研究所（IGD）、材料與光束技術研究所（IWS）、機床與成型技術研究所（IWU）協作完成，在工業4.0與數字流程鏈、可擴展且穩健的增材制造工藝、材料、系統技術及自動化四個領域方面取得了重大進展，在全流程鏈上實現了金屬增材制造性能與成本效益的雙提升。
01、工業4.0與數字流程鏈研究
“工業4.0與數字流程鏈”領域主要開展了三項工作：一是數字預處理，旨在開發一個可擴展的工具組，用于對增材制造部件進行模擬和優化；二是數字質量保證，即根據監控數據評估部件的質量，并開發壽命預測工具；三是基于數字孿生的網絡化流程鏈，借助特殊數據模型復制實際流程鏈，形成具備可追溯性和透明度的數字流程鏈。
02、可擴展且穩健的增材制造工藝研究
“可擴展且穩健的增材制造工藝”領域主要開展了六項工作：一是可擴展的激光粉末床熔融（LPBF）系統，開發出一種用于大型金屬部件的激光粉末床熔融設備（圖1），使生產率提升10倍；二是用于增材制造的超高速激光材料沉積（EHLA）技術，已制造了超高速激光材料沉積增材設備原型機；三是直接錯誤檢測，主要研究用于監測金屬增材制造的新方法，從而提高制造過程的魯棒性；四是工藝穩健性和高沉積速率，通過將質量保證工具集成于生產系統提升工藝魯棒性，并開發高沉積速率的材料和工藝；五是粉末質量保證，開發在制造現場附近的粉末質量檢測控制系統，確保連續生產中粉末供應質量的一致性；六是粉末改性，開發并測試增材制造粉末的替代制造方法，提升粉末金屬增材制造的競爭力。
03、材料研究
“材料”領域主要專注于兩大目標：一是拓展增材制造材料范圍，重點是難焊接高性能合金，目前已經實現了鎳基合金的激光沉積；二是開發創新方法實現多材料增材制造，用于更輕、更具成本效益零件的制造，目前已采用激光沉積完成了鎳基高溫合金（Inconel718）和鈷基合金（Merl72）兩種異質材料的連續過渡連接（圖2）。
04、系統技術及自動化研究
“系統技術及自動化”領域主要開展了四項工作：一是多材料增材制造，已開發出一種多材料增材制造工藝，通過在粉末床和激光束設備上加裝粉末抽吸模塊和分配器（圖3）實現多材料增材制造；二是零件集成，采用多材料制造系統將半成品、傳感器或執行器等元器件集成封裝于零件內部；三是自主返工，開發出一種模塊化增材制造自主返工單元，采用點云測量結合三維模型分析的方式，規劃機器人返工路徑從而修正制造偏差，且能夠快速靈活地集成于過程鏈中；四是零件識別，采用超聲波測量結合圖像處理技術，開發出一種實時檢測零件表面識別碼的方式。
05、建立“虛擬實驗室”
除以上四個領域工作外，項目還建立了“虛擬實驗室”，該實驗室旨在以數字化的方式對相關研究所的能力和設備進行映射，實現每一個實體（設備或產品）都得以分配一個“數字孿生體”，并通過建模仿真的方式對真實系統加以優化。未來，該實驗室將為新產品的規劃提供數據支撐，從而大大減少審核時間。此外該實驗室還將賦予設備更多的自主能力，如根據產品質量目標、生產目標等在生產過程中自主調整相關工藝參數，人類在其中的角色將由目前的統籌規劃轉變為決策監視。
