從願景（jǐng）到現實：帶有“工業（yè） 4.0”印記（jì）的全新機器和設備（bèi）架構

      利希滕費爾斯（Lichtenfels，德國），2015 年 11 月 17 日——歐洲首屈一指的模具製造及加工、快速成型製造和增材技術的專業展覽會，法蘭克福國際精密成（chéng）型及3D打印製（zhì）造展覽會（formnext）於（yú） 2015年11月17日至 20日在德國法蘭克福舉（jǔ）行。作為激光熔融技術領域內的創新領（lǐng）導者Concept Laser公司在該展會上（shàng）首次推出並展示了一種全新的（de）機器和設備架構——“AM Factory of Tomorrow”方案。該方（fāng）案的（de）首次亮相表明Concept Laser已經深深地（dì）將智能化、集成化等工（gōng）業願景紮根在企業的發展戰略之中。

      以“AM Factory of Tomorrow”為關鍵詞的全新完整機（jī）器方案預示著（zhe）增材製（zhì）造技術將在質量、靈活和效率等方麵達到新的高度，其設備（bèi）在生產環境中的模塊化集成方式通過全新的過程組件架構方法也將震（zhèn）驚世人。Concept Laser在formnext上表示，該方案將於2016年全麵進入市場。

      迄今為止，在全球增材製造市（shì）場上有關機器和技術（shù）設備（bèi）的（de）解決方案中都異口同聲地以（yǐ）諸如“更多激光源”、“更高激光功率”、“更快製（zhì）造速度”或“擴大結構空間”為口號。但在這些解決方案中，技術設備（bèi）仍是“孤立”的解決方案，並沒有協調地集成到生產環境中去，產品構造任務的準備和執行仍需要順序交（jiāo）付。現在，Concept Laser 嚐試采用新的設備架構，通過全（quán）新的視角對（duì）傳統的生（shēng）產方法進行擴（kuò）展。Concept Laser 研（yán）發（fā）總監 Florian Bechmann 博士（shì）介紹說：“我們的技術核心在於將產品構造任務的準備、跟進以及增材製造過（guò）程（chéng）分解到任意（yì）可組合的模塊當中，通過相對較大的構造空間可以在不同的時間內執行不同的構（gòu）造任務，從而大幅度降低此前孤立設備的“停機時間”。這種新的生（shēng）產方案蘊藏著巨大（dà）地用於改善生產鏈中附加值的潛力，相比之前方案中純粹的設備數量疊加方（fāng）法，我們（men）在這裏看到了（le）能夠讓工業批量（liàng）生（shēng）產更進一步的（de）全新方法。”

      “AM Factory of Tomorrow”全新解決方案
 

      目前，全球各地都出現了（le）作為服務提供商的區域性打印中心。這種發展的特點在（zài）於從“原型製造（zào）”過渡到了根據需要（yào）、可靈活的進行工業規模化批量生產。增材製（zhì）造用戶已經感受到了原始的經典製造方法的問題（tí）和壓力：缺乏空間，需要擴充機械設備，操作任務、尤其是操作時間增加等。為此， Concept Laser的 “AM Factory of Tomorrow”全新方（fāng）案（àn）給出了一個有趣的解決方案：將生產與準備過程實現“技術設備脫（tuō）鉤”。增（zēng）材製造生產的（de）時（shí）間窗口將提升至“24/7 水平”，所有組件都將（jiāng）具備更高的可用性。自動化的物料流將明顯減輕操作人員的壓（yā）力（lì）。通過接口可以將激光熔（róng）融設備集成到傳統的 CNC 技術設備（bèi）中，這對例如混合型部件以及下遊工序（後處理 / 精加工）來說，都具有重要意義。

      圖 1：“AM Factory of Tomorrow”：使用 Concept Laser 的增材製造模塊將以最小空間占用進行智能、“穩（wěn）健”的工業規（guī）模生產。

      “試生（shēng）產”、“生產”和“後處理”脫鉤

      Concept Laser“AM Factory of Tomorrow”全新方案的新設備架（jià）構主要特征就（jiù）在於（yú）“試生（shēng）產”、“生產”和“後處理”的脫（tuō）鉤。其中尤其包括靈活的機器裝料以及（jí）加裝和拆（chāi）卸過程（chéng）的空間分（fèn）離。這樣做的目的在於，通過接口有針對性地協（xié）調生產（chǎn）組件，並將生產（chǎn）設計的靈活性提升到整個加工生產工藝當中。其“處理平（píng）台（tái）”和“構（gòu）造或加工單元”的一（yī）致模塊化（huà）結構，讓其在組合和聯機方麵擁有（yǒu）更加明顯（xiǎn）的靈活性和（hé）可用性。此外，通過對這些模塊進（jìn）行（háng）有針對性的組合，還可以更好地處（chù）理特定的多樣性（xìng）材料，並最終獲得更好的經濟性。因此，未來的設備用戶可根據部件的幾何形狀或材料，借助其模塊化設備，非常準（zhǔn）確地對其生產任務（wù）進行“量（liàng）身定製”。總而言之，采用Concept Laser全新設備方案，其生產（chǎn）係統的效率和可用（yòng）性將明顯提高，同時占地要求卻會顯著降低。模擬的生產場景顯示，相（xiàng）比現有的方法，采用（yòng）這種方法占地要（yào）求（qiú）最（zuì）多能降低 85%的（de）同時，每平方米的激光功率則提高了七倍。Florian Bechmann 博士表示：“多激光技術極大加快（kuài）了部（bù）件的構造速度。結構空間的大小（xiǎo）也獲（huò）得了相當大的增長（zhǎng）。現在，我們希望通過這（zhè）種集成式的設備方案來進一步證明運用‘工業 4.0’理念來改變作為未來（lái）生產戰略的增材（cái）製造（zào）技術的可行性。可以說，該（gāi）方案在提高工業生產附加值和批量生產的適宜性方麵都具有極大的（de）潛力。

      圖 2：Concept Laser 新設備架構的基本理（lǐ）念：處理單元和加工（gōng）單元脫鉤

       工廠模塊（kuài）化解決方案——模塊化加（jiā）工平台

   
      這裏展示的工藝平台具有 400 x 400 x >400 mm3 的結構空間，激光源、過程氣體管理和過（guò）濾技術設備均（jun1）以模塊形式集成，層厚處於常（cháng）規範圍內。此外，該設備解決方案還擁有可變的聚焦直徑，並且可以選配具有（yǒu） 400 - 1,000 W 激光器功率的 1、2 或 4 激光器光學係統。激光器的冗餘設計能夠確保在某個激光器失靈時，剩餘的三個（gè）激光器仍能覆蓋整個構造（zào）板 - 仍然能夠（gòu）完成構造任務。Florian Bechmann 博士說（shuō）：“越來越多（duō）的激光源隻能有限地提高預期速度（dù）。但最終它們還會讓生產變得複雜和產（chǎn）生依賴性，從而導致生產的脆弱，以及由此產生的逆轉，即讓所需（xū）的正（zhèng）麵效果逆轉（zhuǎn）成為（wéi）負麵因素。”

      圖 3：Concept Laser 研發總監（jiān） Florian Bechmann 博士介紹說：“越來越多的激光源隻（zhī）能有限地提高預期速度。且最終它們（men）還會讓生（shēng）產變得複雜和產生依賴性，從（cóng）而導致生產的脆弱，以及由此產生的逆轉，即讓所需的正麵效果（guǒ）逆轉成（chéng）為負麵因素。”

 
      工廠模塊化解決方案——模塊化處理平台
 

      新的處理平台內置了篩選裝置和（hé）粉末管理（lǐ）裝置，不再需要通過容器在機器和篩選裝置之間進行運輸。而下一個（gè）構造任務所需要進行的拆包、準備工作以及篩（shāi）選過程也都將在封閉的係（xì）統內完成，操作人員無需再與粉末接觸。模塊化處理平台的誘人之處（chù）還在（zài）於其特殊的結構設計（jì）：一個處理平台可以同兩個加工平台組合成一（yī）個“製造單（dān）元”；對（duì）於工廠化產品組建（jiàn），則可將多個處理平台（tái）合並成一台原料製備站（zhàn），並從加工平台分離出來。
  

      
  
  
      圖4：用（yòng）一個處理平台與兩個加工平台組合成一個“製造單元”

      
  
      圖 5：處理模塊可以構成中央金屬粉末製備站

   
      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（le）三種類型的模塊：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（dù）供應。值得注意的是，這些模塊可（kě）以不使用管（guǎn）道或軟管直（zhí）接連接，僅通過 RFID 接口就可以進行識別。這樣，在將多種類型的材料供應至（zhì）構造過程進行加工時，就能在保持靈活性的同（tóng）時，確保大吞吐量下的材料流安全。“未（wèi）來， 我們還將考慮高度自動（dòng）化的增材製造工廠（chǎng）。”Florian Bechmann 博士說，“可以設想，材（cái）料或整個模（mó）塊的運輸可能都將依靠例如無人駕駛的運輸係統（tǒng），這很可能就是我們發展的下（xià）一步。增（zēng）材製造將最大程度的自動化。”
 

     
     
  
      圖6：“AM Factory of Tomorrow”的互聯：未來的（de）增材製造工廠應該是（shì）一個可以靈活擴（kuò）展、高度自動化且能夠集中控製的生產係統，它能夠最大程度（dù）地應對生產任務。

       新型 2 軸塗層工藝

      新的設（shè）備方（fāng）案中（zhōng）采用了新型 2 軸塗層係統，該係統允（yǔn）許塗層機在曝光的同時返回。這可以在塗（tú）層（céng）工藝中節省大量時間。

      在構造任務中，可以（yǐ）自動更換使用橡膠、鋼或碳製成的塗層機刀片。按照（zhào） Florian Bechmann 博士的說（shuō）法，這將帶來許多好處：“像（xiàng） CNC 技術設備中那樣（yàng）的自（zì）動刀具更（gèng）換係統可以讓機器的裝備過程具有很高的靈活性和時間優勢，這能減少操作人員的手動幹預。在這（zhè）裏，我們說（shuō）的（de）是‘穩健生產’。”

 
      備注（zhù）:
 
 
      Concept Laser 15 年
   
      Concept Laser GmbH 在（zài） 2001 年，也即 Frank Herzog 成立公司的第二年，推出了世界上第一台工業激（jī）光熔融設備（bèi）。目前，該創導（dǎo）者（zhě）已憑借其 LaserCUSING 方法（fǎ）擁有超過 50 項專利（lì）授權以及 100 項（xiàng）專利申請（qǐng）。該方法可以通過數字化過程鏈，采用具有增（zēng）強特性的金屬生產（chǎn）出傳統車削加工無法生產的 3D 部件。超過 550 台的已安裝設（shè）備讓 Concept Laser 成（chéng）為了基於粉末床技術的金屬激光熔（róng）融法（fǎ）的主（zhǔ）要領導者（zhě）。因為節約資源，該方法也被稱為“綠色技術”。目前航空航天業、汽車行業、醫療技術和其（qí）他行業都在戰略上寄希望於這種作為未來製造戰略和“工業 4.0”表現形式的 3D 金屬打印技術。

  
      全部圖（tú）片來源：Concept Laser GmbH，利希滕費爾斯（Lichtenfels，德（dé）國）