赞助文章:微调工厂-模拟应用程序帮助优化增材制造设施

历史告诉我们，工业革命始于18世纪中叶的英国。虽然那个煤烟弥漫的铸造厂和工厂时代早已过去，但制造业仍然必不可少，而且充满挑战。应对现代工业挑战的一种有希望的方法是使用增材制造(AM)工艺，如粉末床熔融和其他新兴技术。为了实现其快速，精确和可定制生产的承诺，增材制造需要的不仅仅是工厂设备的重组;它还要求对工厂的经营和管理采取新的方法。

这就是为什么英国制造技术中心(MTC)通过模拟模型和应用程序增强了其内部金属粉末床熔融增材制造设施，以帮助工厂员工对其运营做出明智的决策。该应用程序使用COMSOL Multiphysics®软件中的Application Builder构建，显示了将全尺寸AM工厂与所谓的“数字双胞胎”配对的潜力。

MTC建模团队的技术经理亚当·霍洛威(Adam Holloway)表示:“该模型有助于预测粉末床熔合工厂内的热量和湿度如何影响产品质量和工人安全。”“当与我们设施提供的数据相结合时，该应用程序可以帮助我们将预测模型整合到日常决策中。”MTC项目展示了将仿真直接置于当今工业劳动力手中的好处，并展示了仿真如何帮助塑造制造业的未来。

航空航天增材制造与DRAMA

为了帮助现代英国工厂跟上世界的步伐，MTC在整个英国推广高价值制造业。MTC的总部设在英国历史悠久的工业城市考文垂(图1)，但它只关注未来。这就是为什么该团队为其国家增材制造中心(NCAM)投入了大量人力和技术资源。

“采用AM不仅仅是安装新设备。我们的客户也在寻求帮助，实施支持增材制造工厂运营的数字基础设施，”Holloway说。除了企业软件和数据连接，我们还在探索如何将仿真嵌入到他们的系统中。”

NCAM的航空航天数字可重构增材制造(DRAMA)项目为这一探索提供了一个有价值的场所。与众多制造商合作开发的DRAMA计划包括前面提到的新的粉末床融合AM设施。这家小型工厂是DRAMA的舞台，Holloway和他的仿真专家同事们在成功生产增材制造航空航天部件方面发挥了重要作用。

使软材料加起来固体物体

是什么让制造过程“增材制造”?为什么这么多行业在探索增材制造方法?从最广泛的意义上讲，添加过程是通过一层一层地添加材料来创建对象的过程，而不是将其移除或成型。例如，生产零件的还原或减法过程可以从一个固体金属块开始，然后切割、钻孔和研磨成形状。相比之下，制造相同部件的加法方法是从空白开始的!然后将松散或柔软的材料添加到该空间(在仔细控制的条件下)，直到它形成所需的形状。然后，这种柔韧的材料必须固化成耐用的成品。

不同的材料需要不同的方法来产生和固化添加剂形式。例如，卖给消费者的普通3D打印机通过解开温暖的塑料长丝来生产物体，这些长丝会粘在一起，冷却后会变得更硬。相比之下，金属粉末床熔合过程，顾名思义，首先是粉末金属，然后通过加热熔化，冷却后再凝固。通过金属粉末床熔合工艺生产的零件如图2所示。

热和湿度如何影响金属粉末床熔合

Holloway说:“AM方法的市场机会已经被理解了很长时间，但大规模采用存在许多障碍。”“其中一些障碍可以在产品和增材制造设施的设计阶段克服。其他问题，如环境条件对增材制造生产的影响，必须在设施运行时解决。”

例如，保持对热量和湿度的仔细控制是DRAMA团队的基本任务。Holloway说:“用于粉末床熔合工艺的金属粉末(图3)对外部条件高度敏感。”“这意味着即使在储存中，它也会开始氧化并吸收周围的水分，而这些过程将在它穿过设施时继续进行。”暴露在高温和潮湿环境中会改变它的流动方式、融化方式、吸收电荷的方式以及凝固的方式。”“所有这些因素都会影响你生产的零件的最终质量。”

不小心处理粉末金属不仅仅是对产品质量的威胁。它也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和有毒的，当它变干时，它变得更加易燃，”霍洛威说。“我们需要持续测量和管理湿度水平，以及松散粉末在整个设施中的传播情况。”

为了保持适当的大气条件，制造商可以用一个完整的气候控制系统来增加工厂的通风，但这可能会非常昂贵。NCAM估计，为其相对较小的设施增加气候控制将花费近50万英镑。但如果它们能适当地控制热量和湿度呢没有添加如此复杂的系统?

响应过程管理与多物理场建模

也许使用多物理场模拟进行仔细的流程管理可以提供一种经济有效的替代方案。“作为DRAMA项目的一部分，我们使用COMSOL®软件的计算流体动力学(CFD)功能创建了我们设施的模型。我们的模型(图4)使用有限元方法来求解描述我们设施内空气域中传热和流体流动的偏微分方程，”Holloway说。“这使我们能够研究环境条件如何受到多种变量的影响，从外面的天气，到机器运行的数量，再到机器在车间内的放置方式。”考虑到这些变量的模型有助于工厂员工调整通风和生产计划，以优化条件，”他解释说。

一个赋予工厂员工权力的模拟应用程序

DRAMA团队通过使用COMSOL Multiphysics中的Application Builder构建模拟应用程序(图5)，使他们的模型更易于访问。Holloway解释说:“我们试图以一种简单易懂的方式呈现一些非常复杂的计算结果。”“通过根据我们的模型创建一个应用程序，我们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。”

应用程序用户可以为工厂轮班的开始定义相关的边界条件，然后进行持续调整。在轮班过程中，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持零件质量，或者他们只需要打开门窗以改善通风。用户可以更改应用程序中的设置来测试这些操作可能产生的效果。

例如，图6显示了等温表面图，显示了打开AM机器的构建室对空气温度的影响，而图7显示了打开设备门对气流的影响。

迈向“工厂级数字孪生”的一步

虽然目前的应用程序是向前迈出的重要一步，但它仍然需要工作人员手动输入相关数据。展望未来，DRAMA团队设想了更完整、更强大的东西:AM设备的“数字孪生”。正如Ed Fontes在2019年COMSOL博客上发表的一篇文章中所描述的那样，数字孪生是“对真实物理产品、设备或过程的动态、持续更新的表示”。重要的是要注意，即使是系统最详细的模型也不一定是它的数字孪生。

Holloway解释说:“为了使我们的工厂环境模型成为一个数字双胞胎，我们首先向它提供来自实际工厂的实时数据。”“一旦我们的工厂模型在后台运行，它就可以根据数据反馈调整预测，并根据这些预测提出具体的行动建议。”

“我们希望将我们的预测模型整合到一个反馈回路中，其中包括实际工厂及其员工。目标是建立一个整体系统，对当前工厂状况做出反应，利用模拟对未来状况做出预测和根据这些预测无缝地进行自我优化调整，”霍洛威说。“到那时，我们就可以真正地说，我们已经为我们的工厂建造了一个数字双胞胎。”

工厂车间的模拟工作

作为建立一个完整的工厂级数字孪生的中间步骤，DRAMA模拟应用程序已经证明了它的价值。Holloway说:“我们的制造合作伙伴可能已经看到建模如何帮助规划增材制造设施，但并不真正了解它如何帮助运营。”“我们展示的价值是，让一线工作人员打开应用程序，输入几个读数或导入传感器数据，然后迅速获得当天一批粉末的表现有意义的预测。”

除了对制造商的实际见解之外，整个项目还可以提供更广泛的经验:通过将其生产线与动态仿真模型相结合，DRAMA项目使整个操作更安全、更高效、更高效。DRAMA团队实现了这一目标，通过将模型部署到它可以做得最好的地方——在工厂车间工作的人们手中。