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      從愿景到現(xiàn)實(shí)：帶有“工業(yè) 4.0”印記的全新機(jī)器和設(shè)備架構(gòu)

      利希滕費(fèi)爾斯（Lichtenfels，德國(guó)），2015 年 11 月 17 日——歐洲首屈一指的模具制造及加工、快速成型制造和增材技術(shù)的專(zhuān)業(yè)展覽會(huì)，法蘭克福國(guó)際精密成型及3D打印制造展覽會(huì)（formnext）于 2015年11月17日至 20日在德國(guó)法蘭克福舉行。作為激光熔融技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者Concept Laser公司在該展會(huì)上首次推出并展示了一種全新的機(jī)器和設(shè)備架構(gòu)——“AM Factory of Tomorrow”方案。該方案的首次亮相表明Concept Laser已經(jīng)深深地將智能化、集成化等工業(yè)愿景扎根在企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略之中。

      以“AM Factory of Tomorrow”為關(guān)鍵詞的全新完整機(jī)器方案預(yù)示著增材制造技術(shù)將在質(zhì)量、靈活和效率等方面達(dá)到新的高度，其設(shè)備在生產(chǎn)環(huán)境中的模塊化集成方式通過(guò)全新的過(guò)程組件架構(gòu)方法也將震驚世人。Concept Laser在formnext上表示，該方案將于2016年全面進(jìn)入市場(chǎng)。

      迄今為止，在全球增材制造市場(chǎng)上有關(guān)機(jī)器和技術(shù)設(shè)備的解決方案中都異口同聲地以諸如“更多激光源”、“更高激光功率”、“更快制造速度”或“擴(kuò)大結(jié)構(gòu)空間”為口號(hào)。但在這些解決方案中，技術(shù)設(shè)備仍是“孤立”的解決方案，并沒(méi)有協(xié)調(diào)地集成到生產(chǎn)環(huán)境中去，產(chǎn)品構(gòu)造任務(wù)的準(zhǔn)備和執(zhí)行仍需要順序交付?，F(xiàn)在，Concept Laser 嘗試采用新的設(shè)備架構(gòu)，通過(guò)全新的視角對(duì)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法進(jìn)行擴(kuò)展。Concept Laser 研發(fā)總監(jiān) Florian Bechmann 博士介紹說(shuō)：“我們的技術(shù)核心在于將產(chǎn)品構(gòu)造任務(wù)的準(zhǔn)備、跟進(jìn)以及增材制造過(guò)程分解到任意可組合的模塊當(dāng)中，通過(guò)相對(duì)較大的構(gòu)造空間可以在不同的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行不同的構(gòu)造任務(wù)，從而大幅度降低此前孤立設(shè)備的“停機(jī)時(shí)間”。這種新的生產(chǎn)方案蘊(yùn)藏著巨大地用于改善生產(chǎn)鏈中附加值的潛力，相比之前方案中純粹的設(shè)備數(shù)量疊加方法，我們?cè)谶@里看到了能夠讓工業(yè)批量生產(chǎn)更進(jìn)一步的全新方法。”

      “AM Factory of Tomorrow”全新解決方案
 

      目前，全球各地都出現(xiàn)了作為服務(wù)提供商的區(qū)域性打印中心。這種發(fā)展的特點(diǎn)在于從“原型制造”過(guò)渡到了根據(jù)需要、可靈活的進(jìn)行工業(yè)規(guī)模化批量生產(chǎn)。增材制造用戶(hù)已經(jīng)感受到了原始的經(jīng)典制造方法的問(wèn)題和壓力：缺乏空間，需要擴(kuò)充機(jī)械設(shè)備，操作任務(wù)、尤其是操作時(shí)間增加等。為此， Concept Laser的 “AM Factory of Tomorrow”全新方案給出了一個(gè)有趣的解決方案：將生產(chǎn)與準(zhǔn)備過(guò)程實(shí)現(xiàn)“技術(shù)設(shè)備脫鉤”。增材制造生產(chǎn)的時(shí)間窗口將提升至“24/7 水平”，所有組件都將具備更高的可用性。自動(dòng)化的物料流將明顯減輕操作人員的壓力。通過(guò)接口可以將激光熔融設(shè)備集成到傳統(tǒng)的 CNC 技術(shù)設(shè)備中，這對(duì)例如混合型部件以及下游工序（后處理 / 精加工）來(lái)說(shuō)，都具有重要意義。

      圖 1：“AM Factory of Tomorrow”：使用 Concept Laser 的增材制造模塊將以最小空間占用進(jìn)行智能、“穩(wěn)健”的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。

      “試生產(chǎn)”、“生產(chǎn)”和“后處理”脫鉤

      Concept Laser“AM Factory of Tomorrow”全新方案的新設(shè)備架構(gòu)主要特征就在于“試生產(chǎn)”、“生產(chǎn)”和“后處理”的脫鉤。其中尤其包括靈活的機(jī)器裝料以及加裝和拆卸過(guò)程的空間分離。這樣做的目的在于，通過(guò)接口有針對(duì)性地協(xié)調(diào)生產(chǎn)組件，并將生產(chǎn)設(shè)計(jì)的靈活性提升到整個(gè)加工生產(chǎn)工藝當(dāng)中。其“處理平臺(tái)”和“構(gòu)造或加工單元”的一致模塊化結(jié)構(gòu)，讓其在組合和聯(lián)機(jī)方面擁有更加明顯的靈活性和可用性。此外，通過(guò)對(duì)這些模塊進(jìn)行有針對(duì)性的組合，還可以更好地處理特定的多樣性材料，并最終獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。因此，未來(lái)的設(shè)備用戶(hù)可根據(jù)部件的幾何形狀或材料，借助其模塊化設(shè)備，非常準(zhǔn)確地對(duì)其生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行“量身定制”。總而言之，采用Concept Laser全新設(shè)備方案，其生產(chǎn)系統(tǒng)的效率和可用性將明顯提高，同時(shí)占地要求卻會(huì)顯著降低。模擬的生產(chǎn)場(chǎng)景顯示，相比現(xiàn)有的方法，采用這種方法占地要求最多能降低 85%的同時(shí)，每平方米的激光功率則提高了七倍。Florian Bechmann 博士表示：“多激光技術(shù)極大加快了部件的構(gòu)造速度。結(jié)構(gòu)空間的大小也獲得了相當(dāng)大的增長(zhǎng)?，F(xiàn)在，我們希望通過(guò)這種集成式的設(shè)備方案來(lái)進(jìn)一步證明運(yùn)用‘工業(yè) 4.0’理念來(lái)改變作為未來(lái)生產(chǎn)戰(zhàn)略的增材制造技術(shù)的可行性?？梢哉f(shuō)，該方案在提高工業(yè)生產(chǎn)附加值和批量生產(chǎn)的適宜性方面都具有極大的潛力。

      圖 2：Concept Laser 新設(shè)備架構(gòu)的基本理念：處理單元和加工單元脫鉤

       工廠模塊化解決方案——模塊化加工平臺(tái)

   
      這里展示的工藝平臺(tái)具有 400 x 400 x >400 mm3 的結(jié)構(gòu)空間，激光源、過(guò)程氣體管理和過(guò)濾技術(shù)設(shè)備均以模塊形式集成，層厚處于常規(guī)范圍內(nèi)。此外，該設(shè)備解決方案還擁有可變的聚焦直徑，并且可以選配具有 400 - 1,000 W 激光器功率的 1、2 或 4 激光器光學(xué)系統(tǒng)。激光器的冗余設(shè)計(jì)能夠確保在某個(gè)激光器失靈時(shí)，剩余的三個(gè)激光器仍能覆蓋整個(gè)構(gòu)造板 - 仍然能夠完成構(gòu)造任務(wù)。Florian Bechmann 博士說(shuō)：“越來(lái)越多的激光源只能有限地提高預(yù)期速度。但最終它們還會(huì)讓生產(chǎn)變得復(fù)雜和產(chǎn)生依賴(lài)性，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的脆弱，以及由此產(chǎn)生的逆轉(zhuǎn)，即讓所需的正面效果逆轉(zhuǎn)成為負(fù)面因素。”

      圖 3：Concept Laser 研發(fā)總監(jiān) Florian Bechmann 博士介紹說(shuō)：“越來(lái)越多的激光源只能有限地提高預(yù)期速度。且最終它們還會(huì)讓生產(chǎn)變得復(fù)雜和產(chǎn)生依賴(lài)性，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的脆弱，以及由此產(chǎn)生的逆轉(zhuǎn)，即讓所需的正面效果逆轉(zhuǎn)成為負(fù)面因素。”

 
      工廠模塊化解決方案——模塊化處理平臺(tái)
 

      新的處理平臺(tái)內(nèi)置了篩選裝置和粉末管理裝置，不再需要通過(guò)容器在機(jī)器和篩選裝置之間進(jìn)行運(yùn)輸。而下一個(gè)構(gòu)造任務(wù)所需要進(jìn)行的拆包、準(zhǔn)備工作以及篩選過(guò)程也都將在封閉的系統(tǒng)內(nèi)完成，操作人員無(wú)需再與粉末接觸。模塊化處理平臺(tái)的誘人之處還在于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：一個(gè)處理平臺(tái)可以同兩個(gè)加工平臺(tái)組合成一個(gè)“制造單元”；對(duì)于工廠化產(chǎn)品組建，則可將多個(gè)處理平臺(tái)合并成一臺(tái)原料制備站，并從加工平臺(tái)分離出來(lái)。
  

      
  
  
      圖4：用一個(gè)處理平臺(tái)與兩個(gè)加工平臺(tái)組合成一個(gè)“制造單元”

      
  
      圖 5：處理模塊可以構(gòu)成中央金屬粉末制備站

   
      工廠模塊化解決方案——模塊組合

   
      全新的工廠模塊化解決方案提供了三種類(lèi)型的模塊：加工模塊、配料模塊和“溢流”模塊，這些模塊都可按照不同的高度供應(yīng)。值得注意的是，這些模塊可以不使用管道或軟管直接連接，僅通過(guò) RFID 接口就可以進(jìn)行識(shí)別。這樣，在將多種類(lèi)型的材料供應(yīng)至構(gòu)造過(guò)程進(jìn)行加工時(shí)，就能在保持靈活性的同時(shí)，確保大吞吐量下的材料流安全。“未來(lái)， 我們還將考慮高度自動(dòng)化的增材制造工廠。”Florian Bechmann 博士說(shuō)，“可以設(shè)想，材料或整個(gè)模塊的運(yùn)輸可能都將依靠例如無(wú)人駕駛的運(yùn)輸系統(tǒng)，這很可能就是我們發(fā)展的下一步。增材制造將最大程度的自動(dòng)化。”
 

     
     
  
      圖6：“AM Factory of Tomorrow”的互聯(lián)：未來(lái)的增材制造工廠應(yīng)該是一個(gè)可以靈活擴(kuò)展、高度自動(dòng)化且能夠集中控制的生產(chǎn)系統(tǒng)，它能夠最大程度地應(yīng)對(duì)生產(chǎn)任務(wù)。

       新型 2 軸涂層工藝

      新的設(shè)備方案中采用了新型 2 軸涂層系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許涂層機(jī)在曝光的同時(shí)返回。這可以在涂層工藝中節(jié)省大量時(shí)間。

      在構(gòu)造任務(wù)中，可以自動(dòng)更換使用橡膠、鋼或碳制成的涂層機(jī)刀片。按照 Florian Bechmann 博士的說(shuō)法，這將帶來(lái)許多好處：“像 CNC 技術(shù)設(shè)備中那樣的自動(dòng)刀具更換系統(tǒng)可以讓機(jī)器的裝備過(guò)程具有很高的靈活性和時(shí)間優(yōu)勢(shì)，這能減少操作人員的手動(dòng)干預(yù)。在這里，我們說(shuō)的是‘穩(wěn)健生產(chǎn)’。”

 
      備注:
 
 
      Concept Laser 15 年
   
      Concept Laser GmbH 在 2001 年，也即 Frank Herzog 成立公司的第二年，推出了世界上第一臺(tái)工業(yè)激光熔融設(shè)備。目前，該創(chuàng)導(dǎo)者已憑借其 LaserCUSING 方法擁有超過(guò) 50 項(xiàng)專(zhuān)利授權(quán)以及 100 項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)。該方法可以通過(guò)數(shù)字化過(guò)程鏈，采用具有增強(qiáng)特性的金屬生產(chǎn)出傳統(tǒng)車(chē)削加工無(wú)法生產(chǎn)的 3D 部件。超過(guò) 550 臺(tái)的已安裝設(shè)備讓 Concept Laser 成為了基于粉末床技術(shù)的金屬激光熔融法的主要領(lǐng)導(dǎo)者。因?yàn)楣?jié)約資源，該方法也被稱(chēng)為“綠色技術(shù)”。目前航空航天業(yè)、汽車(chē)行業(yè)、醫(yī)療技術(shù)和其他行業(yè)都在戰(zhàn)略上寄希望于這種作為未來(lái)制造戰(zhàn)略和“工業(yè) 4.0”表現(xiàn)形式的 3D 金屬打印技術(shù)。

  
      全部圖片來(lái)源：Concept Laser GmbH，利希滕費(fèi)爾斯（Lichtenfels，德國(guó)）