機(jī)器技術(shù)和工廠架構(gòu)的這種模塊化集成，不僅體現(xiàn)了在互聯(lián)網(wǎng)4.0前景中，增材制造所能達(dá)到的品質(zhì)、靈活性和性能新高度，還體現(xiàn)了一種全新的流程組件設(shè)計(jì)方法，最終將創(chuàng)造出更快、更經(jīng)濟(jì)的工業(yè)生產(chǎn)解決方案。
圖片：Concept Laser的未來AM工廠采用AM模塊，最大限度地減少了占地面積，在可靈活擴(kuò)展的、高度自動(dòng)化、集中控制的金屬生產(chǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能而穩(wěn)健的制造，完全專注于進(jìn)行中的生產(chǎn)任務(wù)。（圖片來源：Concept Laser GmbH）
Concept Laser GmbH（位于德國(guó)利希滕費(fèi)爾斯）的新型機(jī)器與工廠體系結(jié)構(gòu)表明，工業(yè)4.0的愿景已經(jīng)牢牢地融入了該公司的戰(zhàn)略。AM未來工廠是機(jī)器技術(shù)的模塊化集成，不僅體現(xiàn)了增材制造中更高品質(zhì)、靈活性和性能的前景，還體現(xiàn)了一種全新的流程組件設(shè)計(jì)方法，最終將創(chuàng)造出更快、更經(jīng)濟(jì)的工業(yè)生產(chǎn)解決方案。
機(jī)器和工廠技術(shù)方面歷來依靠的是“更多的激光源”、“更高的激光功率”、“更快的成型速度”或“更大的成型罩尺寸”，將機(jī)器技術(shù)作為一個(gè)孤島看待，而沒有將其集成到成型任務(wù)的各項(xiàng)準(zhǔn)備及后續(xù)步驟依次推進(jìn)的整體制造環(huán)境中。現(xiàn)在，AM未來工廠的新機(jī)器架構(gòu)則試圖運(yùn)用各個(gè)新的定性側(cè)面來擴(kuò)大制造中可量化的部分。
“實(shí)際上，這涉及將成型任務(wù)中的各項(xiàng)準(zhǔn)備及后續(xù)步驟、增材制造分解成若干可組合模塊，” Concept Laser研發(fā)負(fù)責(zé)人Florian Bechmann博士解釋說，“憑借更大的成型罩，可縮短成型任務(wù)中的時(shí)間延遲。目的是大幅度減少先前孤立機(jī)器的故障停機(jī)時(shí)間。在提高產(chǎn)業(yè)鏈的附加值水平上存在足夠的潛力。與先前機(jī)器概念中的純量化方法形成對(duì)照，這是一種全新方法，它將推動(dòng)工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)邁上一個(gè)新臺(tái)階。
工廠架構(gòu)
目前，區(qū)域3D打印技術(shù)中心是作為服務(wù)供應(yīng)商在全球建立的。這一發(fā)展是以從原型到渴望在工業(yè)水平上的靈活系列生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鞯摹Ｔ谶@些中心，AM用戶體驗(yàn)了與傳統(tǒng)制造業(yè)同樣的壓力：對(duì)空間的需求、擴(kuò)充機(jī)械、增加操作任務(wù)，尤其是循環(huán)次數(shù)。但在AM未來工廠，生產(chǎn)從準(zhǔn)備階段就“與機(jī)器不掛鉤”。AM生產(chǎn)的時(shí)間窗口增加到“24/7水平”，這意味著所有組件都具有更高的可用性。自動(dòng)化的材料流顯著降低了操作工人的工作負(fù)荷。激光熔融機(jī)接口被集成到傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)（比如說，這對(duì)于混合部分就十分重要）以及下游工序（后處理/修整）。
新工廠架構(gòu)關(guān)鍵在于將預(yù)生產(chǎn)、生產(chǎn)和后處理分離。這包括靈活的機(jī)器加載以及裝配與拆解過程的物理分離。目標(biāo)是更有針對(duì)性地對(duì)流程組件與接口進(jìn)行協(xié)調(diào)，并提高工藝設(shè)計(jì)的靈活性，以創(chuàng)建一種集成方法。這也可能通過一致的“裝卸站”和“成型與過程單元”模塊結(jié)構(gòu)，憑借組合和互連，實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的靈活性和可用性。通過對(duì)這些模塊有針對(duì)性的組合，還能更好、更經(jīng)濟(jì)地處理不同材料。
例如，未來的機(jī)器使用者將使用模塊非常精確地定制生產(chǎn)任務(wù)以匹配部件幾何外形或材料。整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的效率和可用性水平將明顯增加，而同時(shí)所需空間卻會(huì)顯著減少。模擬生產(chǎn)場(chǎng)景表明，所需空間比目前最高可減少85%。此外，每平方米激光功率增加了7倍。“得益于集束激光器技術(shù)，成型速度大幅提升，”Bechmann博士指出，“成型罩尺寸也將經(jīng)歷顯著增長(zhǎng)。我們現(xiàn)在想要用集成機(jī)器概念，來突出通過工業(yè)4.0使增材制造轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥碇圃觳呗缘目赡芊绞健Ｔ谔嵘I(yè)增加值以及增強(qiáng)系列生產(chǎn)的適應(yīng)性方面存在著巨大的潛力。
模塊化過程站
所示過程站成型罩為400 x 400 x > 400立方毫米。激光源、工藝氣體管理和過濾技術(shù)均被集成于模塊中，而層厚則在常規(guī)范圍內(nèi)。這一機(jī)器解決方案還有一個(gè)可變焦倍數(shù)，可選擇1、2或4個(gè)激光光學(xué)裝置，激光功率從400 W至1000 W。確保有效冗余，如果一個(gè)激光器失效，其余三個(gè)激光器仍將能覆蓋整個(gè)成型臺(tái)，成型任務(wù)仍可完成。“增加激光源數(shù)量只能使預(yù)期速度增加到一定程度，”Bechmann博士表示，“但最終也會(huì)增加復(fù)雜和制約程度，可能導(dǎo)致漏洞，從而使預(yù)期的積極作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄麡O作用。”
模塊化裝卸站
新裝卸站整合了篩選站和粉末材料管理。不再需要任何容器用于篩選站與機(jī)器之間的運(yùn)輸。拆解、準(zhǔn)備下一個(gè)成型任務(wù)、篩選就在一個(gè)自足式系統(tǒng)中進(jìn)行，無需操作人員進(jìn)入并接觸粉末。然而，令模塊化裝卸站如此有吸引力的是其特別的配置：一個(gè)處理站可與兩個(gè)過程站鏈接，構(gòu)成一個(gè)制造單元。工廠構(gòu)建裝備還支持將多個(gè)裝卸站連接起來，構(gòu)成獨(dú)立于過程站的材料制備設(shè)施。
模塊的組合
新工廠構(gòu)建裝備擁有三種在不同高度提供的模塊：過程模塊、計(jì)量模塊和溢出模塊。這些模塊之間直接聯(lián)系，不使用任何管道或管路，通過RFID接口識(shí)別，堪稱不同尋常。它能帶來可靠的材料流、極高的材料吞吐量，以及極大的靈活性，尤其是當(dāng)需要為成型工藝提供并運(yùn)送各類不同材料時(shí)。“在未來，我們認(rèn)為AM工廠將會(huì)是高度自動(dòng)化的，”Bechmann博士說，“設(shè)想的材料甚至整個(gè)模塊均由自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送。這可能成為下一步的研發(fā)任務(wù)。增材制造可以在最大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。”
一種新型的兩軸涂布工藝
這種新機(jī)器概念包括一種新型兩軸涂層系統(tǒng)，使涂布機(jī)的返程與曝露同時(shí)進(jìn)行，從而在涂布工藝中節(jié)省大量時(shí)間。涂布機(jī)刮刀可選用橡膠、鋼或碳等材質(zhì)，以在成型任務(wù)中自動(dòng)變換。“就這樣，自動(dòng)化工具轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床技術(shù)一起共同保證了高度的靈活性以及機(jī)器設(shè)置上的時(shí)間優(yōu)勢(shì)，并減少操作人員的人工干預(yù)水平，”Bechmann博士解釋道，“我們?cè)诖颂氐靥岬搅?lsquo;穩(wěn)健生產(chǎn)’。”
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