當(dāng)前生產(chǎn)工藝學(xué)的發(fā)展有兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)：工業(yè)4.0 和增材制造。工業(yè) 4.0 描述的是生產(chǎn)過程的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。這涉及到有關(guān)云技術(shù)的系統(tǒng)——能夠靈活地訪問共享的計(jì)算機(jī)資源。

增材制造，或者 3D 打印，它幾乎能夠根據(jù)工程師的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接生產(chǎn)出可以使用的零部件。它也是一種基于加工數(shù)據(jù)的數(shù)字化加工制造技術(shù)方法——幾乎沒有一種生產(chǎn)加工技術(shù)像增材制造這樣數(shù)字化。它要求生產(chǎn)組織部門考量材制造工藝過程的所有細(xì)節(jié)并提出有利于用戶使用的全新解決方案。

多年來，德國(guó)漢堡和 Lüneburg 市的 IAPT 霍倫霍夫研究所研究一直在大力推進(jìn)增材制造技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用（圖 1）。 該研究所的 AM4.0（增材制造 4.0）部門開發(fā)設(shè)計(jì)了一整套增材制造的數(shù)字化和生產(chǎn)組織的新方案。本文將介紹人們關(guān)心的一些問題和這一解決方案的應(yīng)用。

增材制造的智能工廠

工業(yè) 4.0能夠?qū)⒓庸C(jī)床的工作狀態(tài)，例如是否停機(jī)等及時(shí)的反饋給生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)。這就能使生產(chǎn)計(jì)劃的控制處在一個(gè)封閉的調(diào)節(jié)循環(huán)中。智能化的和自我組織生產(chǎn)的工廠愿景，也就是人們常說的智能化工廠也可以通過工業(yè) 4.0 技術(shù)的應(yīng)用而變成現(xiàn)實(shí)。

在這樣的相互關(guān)系中，IAPT 霍倫霍夫研究所制定了“仿生智能工廠 4.0”的工廠方案（圖 2）。這一方案將增材制造與智能工廠結(jié)合起來，完成復(fù)雜生產(chǎn)過程的智能化組織：能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成高復(fù)雜產(chǎn)品、多種多樣變型產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。仿生智能工廠 4.0 包含了一個(gè)基于云技術(shù)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，一個(gè)或者多個(gè)分布式制造系統(tǒng)。其中的云系統(tǒng)在合同實(shí)施過程中起到了核心作用。它可以通過瀏覽器接收客戶的訂單，估算成本費(fèi)用，評(píng)估使用增材制造的潛力，例如通過零部件幾何形狀、 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來減輕重量。由于增材制造有著很高的幾何形狀加工的自由度，因此能夠生產(chǎn)、制造功能優(yōu)化和重量?jī)?yōu)化的零部件（圖 3）。

在改進(jìn)或者重新設(shè)計(jì)之后，下一步就是生產(chǎn)和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作了。生產(chǎn)制造系統(tǒng)利用增材制造技術(shù)將零件加工出來。當(dāng)前，與工業(yè)生產(chǎn)有著很大關(guān)系的新工藝、新技術(shù)就是用于金屬零部件加工的選擇性激光束熔化技術(shù)。這種基于粉末原材料基礎(chǔ)上的激光加工工藝技術(shù)是一層層的噴灑金屬粉末、利用激光光束一層層的熔化這些金屬粉末，最終制造出所需的零件。這一技術(shù)能夠在一個(gè)安裝空間里加工多個(gè)零件。完成零件加工之后，通常要有滿足一定的質(zhì)量要求、改善零部件的性能的精整后處理工序。

增材制造過程中的生產(chǎn)組織

在增材制造過程中，加工工藝計(jì)劃和生產(chǎn)過程控制不僅包括了像零部件的生成過程也包括了打印后的精整過程，其中的加工工藝計(jì)劃包括了所有必須一次性執(zhí)行的工藝措施。生產(chǎn)調(diào)度則是通過生產(chǎn)計(jì)劃和控制，按照加工工藝計(jì)劃落實(shí)用戶的訂單合同。 生產(chǎn)調(diào)度的主要目的是：確保準(zhǔn)時(shí)交付、很高的生產(chǎn)能力利用率、 很短的生產(chǎn)加工工時(shí)、很低的庫(kù)存和很高的生產(chǎn)靈活性。

加工工藝計(jì)劃主要包含了制定有操作順序和操作時(shí)間， 加工設(shè)備控制程序的以及設(shè)計(jì)和制造所需的工藝裝備、夾具等 內(nèi)容的工藝路線。工藝路線是在用戶通過云技術(shù)系統(tǒng)的 Web 界面選擇的精整后處理步驟的基礎(chǔ)上制定的。工藝路線中具體一臺(tái)設(shè)備參與增材制造是由輸送到設(shè)備中的原材料決定的。額定工時(shí)由系統(tǒng)中開發(fā)的工時(shí)模塊進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中要做好生成 3D 打印零件所需的空間準(zhǔn)備。這里的準(zhǔn)備工作包括確定零件在加工空間中的方位、在支撐板上 固定3D打印零件的輔助支撐結(jié)構(gòu)和將同時(shí)加工的零件的布置。 這一步工作將加工工藝計(jì)劃和生產(chǎn)控制緊緊的結(jié)合到一起了。 根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)能力利用率的大小，被打印的零件可以有完全不同的安置方式和方位。當(dāng)生產(chǎn)能力利用率不大時(shí)，可以簡(jiǎn)單的將一個(gè)個(gè)被打印的零件按照最低打印密度進(jìn)行排列，以便于快速的送出打印的零件。當(dāng)生產(chǎn)能力利用率較高時(shí)，零件就要按照較高的打印高度進(jìn)行排列了，以便在一塊支撐板上盡可能多的排列幾個(gè)零件。

在采用了工業(yè) 4.0 技術(shù)之后，改變的不僅僅是與生產(chǎn)計(jì)劃 和控制有關(guān)的生產(chǎn)調(diào)度的控制過程。將3D打印作為一種工業(yè)4.0 的技術(shù)加以應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的加工工藝計(jì)劃和生產(chǎn)調(diào)度的分離狀態(tài)。為此，霍倫霍夫 IAPT 研究所還開發(fā)了自動(dòng)化的解決方案和相應(yīng)的算法語(yǔ)言。

增材制造過程的計(jì)劃和控制

增材制造工藝過程的生產(chǎn)調(diào)度有兩個(gè)主要組成部分；一個(gè) 是各臺(tái) 3D 打印設(shè)備打印空間的編排、整理，另一個(gè)是打印空間的使用順序。哪些零件在一次 3D 打印中同時(shí)制作出來？它們都在 3D 打印支撐板的什么位置打?。▓D 4）？目前普遍的做法是：按照已經(jīng)確定的零件方位可以實(shí)現(xiàn)的最高生產(chǎn)能力利用率。這樣一來，打印空間的優(yōu)化問題也就轉(zhuǎn)換成了支撐板的 裝箱問題了。而裝箱的問題是：在盡可能少的箱子中裝下一定 數(shù)量的不同物體。裝箱問題的解決方案可以是根據(jù)零件的打印高度和時(shí)間進(jìn)行分類、分組；但要注意的是：這里的時(shí)間指的是扣除所有零件實(shí)際打印時(shí)間之后到合同最后期限還“剩下多少時(shí)間”。

3D 打印空間的使用順序（圖 5）是將各臺(tái)增材制造設(shè)備打 印空間使用的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間進(jìn)行了排序。這一計(jì)劃的目 的是：通過打印空間使用的排序使總的增材制造時(shí)間盡可能的 短一些。這樣就能保證最高的生產(chǎn)能力利用率和最低的生產(chǎn)工 時(shí)了?？紤]到必須遵守的完工交貨期，3D 打印空間準(zhǔn)備工作 和（僅在上下班換班期間）的整理工作，打印空間的使用順序 應(yīng)盡可能的縮短間隔、安排的更加緊湊。

打印后精整工作的計(jì)劃和控制

這里的精整包括了增材制造零件生成之后直至最終結(jié)束圖 5：增材制造生產(chǎn)過程中的打印支撐板使用排序表。 之前的所有工序（圖 6）。為了消除增材制造零件中的內(nèi)應(yīng)力通常都要將支撐板和支撐板上的增材制造零件一同進(jìn)行熱處理。熱處理后由線切割將增材制造的零件從 3D 打印支撐板上切割下來。然后是去除支撐結(jié)構(gòu)件。在單件生產(chǎn)和小批 量生產(chǎn)情況下，這一工序通常是手動(dòng)操作的加工工序。隨后的表面處理用于清除殘留的金屬粉末以及使零件表面更加平滑、提高表面強(qiáng)度。最后是零件功能表面的切削加工。

后續(xù)精整工作調(diào)度、控制取決于訂單處理順序中的每一步工作。后一工序的完成日期要考慮前一工序的完成時(shí)間，以便獲得最理想計(jì)劃方案。

實(shí)施和評(píng)估

計(jì)算機(jī)軟件支持下生產(chǎn)組織方法的實(shí)施是在云系統(tǒng)框架內(nèi)利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行的。這樣，生產(chǎn)計(jì)劃和控制就可以直接在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上的訂單聯(lián)系起來了。這就形成了一個(gè)集成式的系統(tǒng)解決方案：包含了從銷售部門處理訂單到產(chǎn)品生產(chǎn)直至最后供貨全過程的解決方案了。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在后臺(tái)與相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)保持聯(lián)系，保存所有處理合同時(shí)的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

對(duì)不同典型案例的分析評(píng)估表明：使用計(jì)劃算法語(yǔ)言之后， 3D 打印所需的時(shí)間縮短了 30% 以上。另外，智能化的精整加工計(jì)劃還能更好地保證供貨期了。而制定這樣的生產(chǎn)計(jì)劃少則幾秒鐘、多則幾分鐘的時(shí)間：取決于合同的數(shù)量。這就能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中更加靈活的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助支持的生產(chǎn)計(jì)劃和控制軟件了。

小結(jié)和展望未來

在工業(yè) 4.0 的背景下，生產(chǎn)計(jì)劃主要是利用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)完成的。本文介紹的增材制造生產(chǎn)組織解決方案能夠提高生產(chǎn)能力，縮短合同的執(zhí)行時(shí)間，更好的保證合同的交付期。增材制造設(shè)備支撐板的匯總統(tǒng)一管理、編排利用和后續(xù)精整工序相 互結(jié)合，是自動(dòng)化增材制造生產(chǎn)組織的重要組成部分。使用這種基于云技術(shù)的解決方案可以順利的將增材制造生產(chǎn)計(jì)劃和控制納入工業(yè) 4.0 的生產(chǎn)環(huán)境之中，并有效提高實(shí)際應(yīng)用的靈活性。

將當(dāng)前生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地納入生產(chǎn)計(jì)劃和控制過程之中就能夠快捷的對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際情況作出反應(yīng)，也為進(jìn)一步的研發(fā)工作提供了更大的空間。