从愿景到现实：带有“工业 4.0”印记的全新机器和设备架构

      利希滕费尔斯（Lichtenfels，德国），2015 年 11 月 17 日——欧洲首屈一指的模具制造及加工、快速成型制造和增材技术的专业展览会，法兰克福国际精密成型及3D打印制造展览会（formnext）于 2015年11月17日至 20日在德国法兰克福举行。作为激光熔融技术领域内的创新领导者Concept Laser公司在该展会上首次推出并展示了一种全新的机器和设备架构——“AM Factory of Tomorrow”方案。该方案的首次亮相表明Concept Laser已经深深地将智能化、集成化等工业愿景扎根在企业的发展战略之中。

      以“AM Factory of Tomorrow”为关键词的全新完整机器方案预示着增材制造技术将在质量、灵活和效率等方面达到新的高度，其设备在生产环境中的模块化集成方式通过全新的过程组件架构方法也将震惊世人。Concept Laser在formnext上表示，该方案将于2016年全面进入市场。

      迄今为止，在全球增材制造市场上有关机器和技术设备的解决方案中都异口同声地以诸如“更多激光源”、“更高激光功率”、“更快制造速度”或“扩大结构空间”为口号。但在这些解决方案中，技术设备仍是“孤立”的解决方案，并没有协调地集成到生产环境中去，产品构造任务的准备和执行仍需要顺序交付。现在，Concept Laser 尝试采用新的设备架构，通过全新的视角对传统的生产方法进行扩展。Concept Laser 研发总监 Florian Bechmann 博士介绍说：“我们的技术核心在于将产品构造任务的准备、跟进以及增材制造过程分解到任意可组合的模块当中，通过相对较大的构造空间可以在不同的时间内执行不同的构造任务，从而大幅度降低此前孤立设备的“停机时间”。这种新的生产方案蕴藏着巨大地用于改善生产链中附加值的潜力，相比之前方案中纯粹的设备数量叠加方法，我们在这里看到了能够让工业批量生产更进一步的全新方法。”

      “AM Factory of Tomorrow”全新解决方案
 

      目前，全球各地都出现了作为服务提供商的区域性打印中心。这种发展的特点在于从“原型制造”过渡到了根据需要、可灵活的进行工业规模化批量生产。增材制造用户已经感受到了原始的经典制造方法的问题和压力：缺乏空间，需要扩充机械设备，操作任务、尤其是操作时间增加等。为此， Concept Laser的 “AM Factory of Tomorrow”全新方案给出了一个有趣的解决方案：将生产与准备过程实现“技术设备脱钩”。增材制造生产的时间窗口将提升至“24/7 水平”，所有组件都将具备更高的可用性。自动化的物料流将明显减轻操作人员的压力。通过接口可以将激光熔融设备集成到传统的 CNC 技术设备中，这对例如混合型部件以及下游工序（后处理 / 精加工）来说，都具有重要意义。

      图 1：“AM Factory of Tomorrow”：使用 Concept Laser 的增材制造模块将以最小空间占用进行智能、“稳健”的工业规模生产。

      “试生产”、“生产”和“后处理”脱钩

      Concept Laser“AM Factory of Tomorrow”全新方案的新设备架构主要特征就在于“试生产”、“生产”和“后处理”的脱钩。其中尤其包括灵活的机器装料以及加装和拆卸过程的空间分离。这样做的目的在于，通过接口有针对性地协调生产组件，并将生产设计的灵活性提升到整个加工生产工艺当中。其“处理平台”和“构造或加工单元”的一致模块化结构，让其在组合和联机方面拥有更加明显的灵活性和可用性。此外，通过对这些模块进行有针对性的组合，还可以更好地处理特定的多样性材料，并最终获得更好的经济性。因此，未来的设备用户可根据部件的几何形状或材料，借助其模块化设备，非常准确地对其生产任务进行“量身定制”。总而言之，采用Concept Laser全新设备方案，其生产系统的效率和可用性将明显提高，同时占地要求却会显著降低。模拟的生产场景显示，相比现有的方法，采用这种方法占地要求最多能降低 85%的同时，每平方米的激光功率则提高了七倍。Florian Bechmann 博士表示：“多激光技术极大加快了部件的构造速度。结构空间的大小也获得了相当大的增长。现在，我们希望通过这种集成式的设备方案来进一步证明运用‘工业 4.0’理念来改变作为未来生产战略的增材制造技术的可行性。可以说，该方案在提高工业生产附加值和批量生产的适宜性方面都具有极大的潜力。

      图 2：Concept Laser 新设备架构的基本理念：处理单元和加工单元脱钩

       工厂模块化解决方案——模块化加工平台

   
      这里展示的工艺平台具有 400 x 400 x >400 mm3 的结构空间，激光源、过程气体管理和过滤技术设备均以模块形式集成，层厚处于常规范围内。此外，该设备解决方案还拥有可变的聚焦直径，并且可以选配具有 400 - 1,000 W 激光器功率的 1、2 或 4 激光器光学系统。激光器的冗余设计能够确保在某个激光器失灵时，剩余的三个激光器仍能覆盖整个构造板 - 仍然能够完成构造任务。Florian Bechmann 博士说：“越来越多的激光源只能有限地提高预期速度。但最终它们还会让生产变得复杂和产生依赖性，从而导致生产的脆弱，以及由此产生的逆转，即让所需的正面效果逆转成为负面因素。”

      图 3：Concept Laser 研发总监 Florian Bechmann 博士介绍说：“越来越多的激光源只能有限地提高预期速度。且最终它们还会让生产变得复杂和产生依赖性，从而导致生产的脆弱，以及由此产生的逆转，即让所需的正面效果逆转成为负面因素。”

 
      工厂模块化解决方案——模块化处理平台
 

      新的处理平台内置了筛选装置和粉末管理装置，不再需要通过容器在机器和筛选装置之间进行运输。而下一个构造任务所需要进行的拆包、准备工作以及筛选过程也都将在封闭的系统内完成，操作人员无需再与粉末接触。模块化处理平台的诱人之处还在于其特殊的结构设计：一个处理平台可以同两个加工平台组合成一个“制造单元”；对于工厂化产品组建，则可将多个处理平台合并成一台原料制备站，并从加工平台分离出来。
  

      
  
  
      图4：用一个处理平台与两个加工平台组合成一个“制造单元”

      
  
      图 5：处理模块可以构成中央金属粉末制备站

   
      工厂模块化解决方案——模块组合

   
      全新的工厂模块化解决方案提供了三种类型的模块：加工模块、配料模块和“溢流”模块，这些模块都可按照不同的高度供应。值得注意的是，这些模块可以不使用管道或软管直接连接，仅通过 RFID 接口就可以进行识别。这样，在将多种类型的材料供应至构造过程进行加工时，就能在保持灵活性的同时，确保大吞吐量下的材料流安全。“未来， 我们还将考虑高度自动化的增材制造工厂。”Florian Bechmann 博士说，“可以设想，材料或整个模块的运输可能都将依靠例如无人驾驶的运输系统，这很可能就是我们发展的下一步。增材制造将最大程度的自动化。”
 

     
     
  
      图6：“AM Factory of Tomorrow”的互联：未来的增材制造工厂应该是一个可以灵活扩展、高度自动化且能够集中控制的生产系统，它能够最大程度地应对生产任务。

       新型 2 轴涂层工艺

      新的设备方案中采用了新型 2 轴涂层系统，该系统允许涂层机在曝光的同时返回。这可以在涂层工艺中节省大量时间。

      在构造任务中，可以自动更换使用橡胶、钢或碳制成的涂层机刀片。按照 Florian Bechmann 博士的说法，这将带来许多好处：“像 CNC 技术设备中那样的自动刀具更换系统可以让机器的装备过程具有很高的灵活性和时间优势，这能减少操作人员的手动干预。在这里，我们说的是‘稳健生产’。”

 
      备注:
 
 
      Concept Laser 15 年
   
      Concept Laser GmbH 在 2001 年，也即 Frank Herzog 成立公司的第二年，推出了世界上第一台工业激光熔融设备。目前，该创导者已凭借其 LaserCUSING 方法拥有超过 50 项专利授权以及 100 项专利申请。该方法可以通过数字化过程链，采用具有增强特性的金属生产出传统车削加工无法生产的 3D 部件。超过 550 台的已安装设备让 Concept Laser 成为了基于粉末床技术的金属激光熔融法的主要领导者。因为节约资源，该方法也被称为“绿色技术”。目前航空航天业、汽车行业、医疗技术和其他行业都在战略上寄希望于这种作为未来制造战略和“工业 4.0”表现形式的 3D 金属打印技术。

  
      全部图片来源：Concept Laser GmbH，利希滕费尔斯（Lichtenfels，德国）