在亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT的领导下，“futureAM – 新一代增材制造”是于2017年11月推出的，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。重点呈现从订单到完成金属3D打印组件的数字和物理增值的整体视图，目标是向增材制造的新一代技术迈进。在亚琛Fraunhofer ILT的领导下，另外五个Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）正在参与该项目。
之前，3D科学谷充分介绍了亚琛弗劳恩霍夫Fraunhofer ILT在超高速激光材料沉积，以及带5个振镜、可扩展的下一代选区激光粉末床金属3D打印技术领域的进展，本期，3D科学谷与谷友一起来领略Fraunhofer IWU研究所在通过推动增材制造走向智能化方面的进展。
视频：十倍速的下一代选区激光熔化金属3D打印技术。来源：Fraunhofer
自动化+过程自主
避免过程中断
“futureAM – 新一代增材制造”的第四个研究主题涉及到系统工程的开发，该系统工程允许基于粉末床的增材制造工艺自动制造功能集成的组件，并对增材制造的组件进行自动化、自主的后加工处理。
在激光束熔化的加工工艺中使用自动组件集成可以减少制造过程中的手动处理步骤；它可以避免过程中断，从而提高组件质量的可重复性。
开发自动化的增材制造单元是为了推动增材制造技术的产业化进程，基于灵活的自动化概念，可根据过程要求自行配置。弗劳恩霍夫-Fraunhofer IWU机床与成型技术研究所开发的解决方案包括用于处理、去除粉末，去除支撑结构，用于机械化的后处理和检测等模块。
多材料制造：在激光束熔化设备的安装空间内的分配器和抽吸模块。©Fraunhofer IWU
多材料制造
弗劳恩霍夫-Fraunhofer IWU机床与成型技术研究所开发了一种结合粉末床工艺和多种材料制造的具备几何灵活性的新概念，3D科学谷了解到这是通过安装带有分配器和抽吸模块的处理系统来进行局部粉末去除而创建的。
首先，在激光束熔化设备的空间中，将粉末从组件凝固区域的型腔中移除。然后，通过分配器在组件区域添加结构，过程中还包括硬化和烧结工艺的应用，这些工艺能够实现所需要的材料特性（例如电导率或绝缘）。
组件整合
Fraunhofer IWU开发的用于多种材料制造的系统技术无需打开激光束熔化设备，通过辅以抓取器，将半成品、传感器或执行器集成到组件中。
为了演示Fraunhofer IWU开发的用于多种材料制造的系统技术功能， IWU使用了玻璃封装的RFID应答器（也称为 RFID 标签），该应答器被放置在直接位于所制造组件表面下方的空腔中，并在随后的构建过程中将其紧密封装在组件中。该应答器用于保存和读取有关制造过程或组件属性的信息。
自主后加工
当前金属增材制造下游加工步骤尚未实现自动化，部分原因是要制造的零件的几何形状不同，对自动化带来了极大的挑战。对于金属增材制造，大多数手动后处理成本特别高：它占总处理成本的70％。Fraunhofer IWU机床与成型技术研究所正在为各个过程开发各种自主技术模块，由机器人负责工件的处理和后加工。
Fraunhofer IWU的研究人员开发了一种可适应单元的模块化概念，用于可自动后加工增材制造的组件。3D科学谷了解到，模块化概念中包含了各种组件和批量生产数量少至为1件的产品后加工方法。
用于通过增材制造对组件进行自主后加工的制造单元概念。Fraunhofer IWU
使用分析模型，可以确定工作空间中刚度非常适合加工的区域。此外，该模型还可以使用过程控制来补偿刀具路径的错误。
光学测量是判断补偿过程错误的第一步，所获取的点云被传输到云端与实际几何图形的3D模型进行比较。补偿完成后，再次测量组件，重复此过程，直到达到确定的组件质量。
组件识别
通过组件中近表面的凹腔生成QR码，识别组件。©Fraunhofer IWU
增材制造的组件进行自动返工的前提条件是在每个工艺步骤中对组件进行安全标识。这是将产品信息链接到过程参数并跟踪每个组件的过程链的唯一方法。Fraunhofer IWU开发了用于实时检测部件近表面区域中确定的空腔的测量过程，开发实时读取信息所需的算法是研究活动的重要组成部分。
3D科学谷Review
futureAM项目发力两大目标：一是从订单到产品制造的全流程角度全面考虑3D打印在数字和物理方面创造的附加值；二是通过研发飞跃性质的技术推动3D打印进入到新一代增材制造领域。尽管需要时间我们才能更加理解Fraunhofer的futureAM项目对增材制造成为主流制造技术的驱动价值，到目前，其项目进展情况已经让业界领略到增材制造技术的跨界属性，并更加深刻的理解推动增材制造发展需要多个发力点。
我们可以清晰的看到不仅仅局限在设备的加工速度、精度方面的开发，Fraunhofer的futureAM项目包含了更多“柔性”的增材制造技术，例如在线过程控制技术的开发，工艺稳健性的开发，以及基于数字孪生的网络化流程链的开发等。
人工智能开发新材料
其中，人工智能发挥了强大的作用，futureAM项目中Fraunhofer IWS工程师基于对材料技术以及激光加工的强大理解，建立了增材制造领域加工技术与材料的相关性。在Fraunhofer灯塔项目“ futureAM-下一代增材制造”的框架内，Fraunhofer IWS的科学家们正以很高的采样率记录大量传感器数据以提升对加工过程的理解，创造更多更神奇的材料。
Fraunhofer IWS的专家通过“人工智能”（AI）和“机器学习”的先进方法来提升对加工过程的理解，由Fraunhofer IWS图像处理和数据管理工作组进行研究。通过人工智能，可以找到这些数据泛洪中的隐藏联系。
数字孪生体技术驱动增材走向制造
其次，数字孪生体技术的主导作用正在浮现，futureAM项目中除了所有的研究机构都以自己的研发能力进行项目参与外，大家还建立了“虚拟实验室”。该实验室旨在以封闭且数字化的方式绘制所涉及机构的能力。每个实体（机器或产品）都被描述并分配了一个“数字孪生”，这是网络物理机器或更大的网络物理系统的虚拟部分。基于这些数字孪生，可以通过建模和仿真来优化实际系统。这将增强例如错误诊断、预测分析、产品和过程优化以实现长期质量保证。
将来，该系统还将提供用于计划新产品的数据，这将大大减少认证时间。它将能够越来越多地自动将产品分配给机器，在生产过程中适应相关的工艺参数，并自动考虑产品目标（例如质量）和生产目标（例如交货时间）。
因此，人类的角色将发生变化-从今天的中央计划转向决策和监控。虚拟实验室中的自治系统将使用适当的评估和监视工具来支持现场人员。因此，“虚拟实验室”提供了完整的数字透明度。
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