用户案例集锦

工业革命始于 18 世纪中期的英国。虽然那个充斥着煤烟的铸造厂和磨坊的时代早已过去，但制造业仍然不可或缺且充满挑战。采用增材制造工艺应对现代工业挑战是一个充满前景的方法，例如 3D 打印、粉末床熔融和其他新兴技术等。为了完成快速、精准和可定制的生产，增材制造不仅需要对工厂设备进行重新调整，还需要新的工厂运行和管理方法。

Wikimedia Commons 在公共领域的图片共享。

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图1 1873 年英格兰西米德兰兹地区的煤矿和炼铁厂得绘图。作为世界上最早的工业化地区之一，这个地区的部分地区因其煤烟覆盖的景观被称为 "黑区"。通过Wikimedia Commons在公共领域的图片共享。

因此，英国制造技术中心（ Manufacturing Technology Centre，MTC ）借助仿真模型和仿真 App 来提高其现有的金属粉末床熔融增材制造工艺的水平，帮助工厂员工在操作时能够基于实际情况进行决策。该仿真 App 是使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的 App 开发器创建的，具有将全尺寸增材制造工厂与其“数字孪生体”相匹配的潜力。

“该模型可以帮助我们预测粉末床熔融设施内的热量和湿度对产品质量和工人安全的影响，”MTC 仿真团队的技术经理 Adam Holloway 介绍到，“ 结合工厂反馈的数据，该仿真 App 还可以帮助我们将模拟结果纳入日常决策中。”MTC 的项目展示了现代工业制造人员如何直接受益于仿真技术，以及仿真如何帮助制造业塑造未来。

应用于航空航天的增材制造项目

MTC 总部位于历史悠久的英国工业城镇考文垂（图2），它始终将目光聚焦于未来。为了帮助英国工厂跟上世界的步伐，MTC 在全英国推广高附加值的制造业，这也是 MTC 团队向国家增材制造中心投入了大量人力和技术资源的原因。

A photo of the exterior of the Manufacturing Technology Centre headquarters.

图2 位于英国工业城镇考文垂的 MTC 总部。

“采用增材制造工艺不仅仅是需要安装新设备，我们的客户同时也在寻找能够支持增材制造工厂运营的数字基础设施。”Holloway 说道，“除了使用企业软件和数据连接，我们也在探索如何将仿真嵌入他们的系统中。”

航空航天产业的数字化重构增材制造（DRAMA）项目为 MTC 进行这一探索提供了宝贵的场所，该项目与众多制造商合作开展，项目提案中包括前面提到的新型粉末床熔融增材制造设施。有了这个小型工厂作为 DRAMA 的舞台，Holloway 和他的仿真专家同事在增材制造航空零部件的成功生产中发挥了重要作用。

软材料叠加成为固体

一个制造过程为何被称为“增材”？为什么这么多的行业都在探索增材制造方法？广义上，“增材”过程是指通过逐层增加材料，而不是删减材料，来生成物体。传统生产零部件的减法或还原过程可以从一块固体金属开始，然后通过切割、钻孔和研磨，最后成型。相反，生产相同零部件的“增材”方法则是先从空白空间开始，然后将松散或柔软的材料在精准控制下添加到该空间，直到形成所需的形状。最后，柔软的材料固结成耐用的成品零部件。

A black-and-white close-up photo of a metal aircraft component created by the metal powder bed fusion process.

图3 一个通过金属粉末床熔融工艺制造的零件。

不同的增材物质材料需要不同的方法来生成和固化。常见的 3D 打印机是通过温热的塑料丝来制造物体，塑料丝之间相互联结，并在冷却后变得更坚硬。相比之下，金属粉末床熔融工艺，顾名思义，是将一种粉末状金属加热后熔化，冷却后再凝固的过程。图3 展示了一种通过金属粉末床熔融工艺制造的零件。

温度和湿度对金属粉末床熔融工艺的影响

“人们很早前就已发现增材制造方法的市场，但在大规模应用方面一直存在许多困难。”Holloway 说，“其中一些困难可以在产品和增材制造设施的设计阶段克服，然而如环境条件对增材制造生产的影响等其他问题，则需要在生产过程中解决。”

对 DRAMA 团队来说，保持对温度和湿度的精细控制是一项基本的任务。“用于粉末床熔融工艺的金属粉末（图4）对外部环境条件高度敏感，” Holloway 解释道，“这意味着它甚至在储存时就开始氧化并吸收周围的水分，这些过程在整个工艺过程中会持续进行。金属粉末暴露在热湿环境中会改变它的流动方式、熔融方式、充电方式以及固化方式，所有这些因素都会影响所生产零件的最终质量。”

A black-and-white image of powdered metal grains as seen through a microscope.

图4 用于金属粉末床熔融工艺的金属粉末颗粒的微观特写。

对金属粉末的处理不当不仅会影响产品质量，还会威胁到工人的健康和安全。“用于增材制造工艺的金属粉末是易燃且有毒的，当它变干时，会变得更加易燃。” Holloway 解释说，“我们需要持续地测量和控制湿度，以及飘散的粉末在厂房中的传播。”

为了保持适宜的环境条件，制造商可以通过一个完整的环境控制系统来增强工厂的通风，但这将非常昂贵。据国家增材制造中心估计，在这个相对简陋的测试设施上增加环境控制将花费近 50 万英镑（约 400 万人民币）。是否有其他方法使他们能够在不增加复杂系统的情况下充分地管理温度和湿度呢？

基于多物理场仿真的快速响应式过程管理

也许使用多物理场仿真进行精细地过程管理可以提供一个更经济的替代方案。“作为 DRAMA 项目的一部分，我们利用 COMSOL® 软件的计算流体力学功能创建了一个厂房的仿真模型（图5-图7），然后使用有限元法求解了描述热传导和流体在厂房内空气中流动的偏微分方程。”Holloway 介绍道，“这使我们能够研究环境条件将如何受到多种变量的影响，包括外部的天气，运行的机器数量以及机器在车间内的摆放方式。考虑到这些变量的模型可以帮助工厂员工调整通风和生产计划来优化环境条件。”他解释说。

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Isosurface node selected, the corresponding Settings window, and the DRAMA facility model in the Graphics window.

图5 Drama 厂房中 7 台机器运行时的温度变化的等值面图。

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Surface node selected, the corresponding Settings window, and the DRAMA facility model in the Graphics window.

图6 Drama 厂房湿度变化的分布图。

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Slice node selected, the corresponding Settings window, and the DRAMA facility model in the Graphics window.

图7 整个厂房中气流速度的切片图。

仿真 App 为工厂赋能

DRAMA 团队使用 COMSOL Multiphysics^®软件中的 App 开发器创建了一个仿真 App（图8），使更多的人可以访问和使用他们的仿真模型。“我们尝试以一种简单、易懂的方式来呈现一些非常复杂的计算结果。”Holloway 解释说，“基于模型创建的仿真 App，可以让员工在日常轮班期间在笔记本电脑上运行预测模拟。”

The UI of a simulation app of the DRAMA powder bed fusion facility, showing the machines it contains and the locations of the air vents.

图8 DRAMA 粉末床熔融设施的仿真 App，显示了机器和通风口的位置。用户可以指定整个空间的初始温度和湿度，以及空气处理系统、灯光和金属粉末存储室的设置。在这个示例中，用粉色突出显示的是打开的门。

Two close-up images of the graphics of the DRAMA facility simulation app. At left, the graphics are overlaid with the UI drop-down menu used to add an AM machine, and at right, the graphics are overlaid with the menu used to specify the machine's position, among other settings.

图9 用户可以在下拉菜单中选择一台增材制造机器添加到厂房模型中，并定义其位置和其他相关设置。

Two isothermal surface plots in the DRAMA facility simulation app show changes in temperature at 30 seconds (left) and 60 seconds (right) after opening the build chambers of every AM machine in the facility.

图10 模拟机器热量和流量的输出随时间的变化。等温表面图显示了在开启厂房中每台增材制造机器的制造室 30 秒 (左) 和 60 秒 (右) 后的温度变化。

仿真 App 的用户可以在工厂轮班开始时定义相关条件，然后进行持续调整。在轮班的过程中，温度和湿度水平不可避免地会波动，也许工厂员工应该改变生产计划以保证零件质量，或者他们只需要打开门窗来改善通风。用户可以在仿真 App 中更改设置，来测试这些操作可能产生的效果。图10 的等温表面图显示了打开增材制造厂房的制造室对空气温度的影响；图11 显示了打开厂房的门对气流的影响。

Simulation results in a slice plot showing the weakening airflow toward an outlet duct when a door is opened.

图11 图中显示了打开一扇门对气流的影响。当出口风管正下方的门被打开时，流向出口风管的空气速度明显减弱。

迈向“工厂级数字孪生”

虽然当前开发的仿真 App 是向前迈出的重要一步，但它仍然需要人工手动输入相关数据。展望未来，DRAMA 团队设想构建一些更完整，也更强大的“数字孪生”增材制造设施。正如 Ed Fontes 在 2019 年 COMSOL 博客上的一篇文章中所描述的那样，数字孪生代表着“一种动态的、不断更新的真实物理产品、设备或过程”。值得注意的是，即使是最详细的系统模型也不一定是它的数字孪生体。

“要使工厂环境的仿真模型成为数字孪生体，首先要向它提供来自实际工厂的实时数据，”Holloway 解释说，“一旦工厂模型在后台运行后，应该能够根据输入的数据调整其预测，并基于预测提出具体的操作建议。”

A diagram of the integrated feedback loop of a digital twin-equipped manufacturing operation.

图12 由 NCAM 定义的数字孪生设备操作过程的集成反馈回路。

“我们希望将预测模型集成到一个反馈循环中，其中包括真实的工厂及其员工。我们的目标是建立一个整体系统，使它能够对当前的工厂条件做出响应，能够通过仿真预测未来的条件，并基于这些预测无缝地进行自我优化调整。”Holloway 说，“这样我们就可以真正地说，我们为工厂制造了一个数字孪生体。”

工厂车间内的仿真工作

作为构建一个完整的工厂级数字孪生体的中间步骤，DRAMA 项目的仿真 App 已经证明了它的价值。“我们的制造合作伙伴可能已经看到了仿真是如何帮助规划增材制造设施，但他们还没有真正的理解它是如何帮助工人进行实际操作的。”Holloway 说，“当流水线工人打开仿真 App，输入一些读数或导入传感器数据，便能迅速地获得对一批金属粉末当天变化的有意义的预测，这就体现了它的价值。”

除了为制造商带来实际的新见解，整个项目还提供了更广泛的经验。通过将生产线与动态仿真模型相结合，将仿真模型部署到它最能发挥作用的地方，即交到工厂车间工作人员手中，DRAMA 团队使整个设施运行更加安全、高产和高效。

A photo of two workers standing in front of machinery in the NCAM metal power bed facility.

图13 DRAMA 厂房内的工作人员

参考文献

S. Hendrixson, “AM 101: Powder Bed Fusion,” Jun. 2021;https://www.additivemanufacturing.media/articles/am-101-powder-bed-fusion-pbf
E. Fontes, “Digital Twins: Not Just Hype,” Feb. 2019;https://www.comsol.com/blogs/digital-twins-not-just-hype/