李志榮，李 陽

（中國科學技術信息研究所，北京 100038）

面向智能制造，為確?！暗聡圃臁钡娜蝾I先地位，德國將數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展理念逐步融入制造業(yè)中，圍繞高科技、工業(yè)數(shù)字化轉型等，先后發(fā)布《高技術戰(zhàn)略》（2006）、《新高技術戰(zhàn)略——為德國而創(chuàng)新》（2014）、《高技術戰(zhàn)略2025》（2018）以及“工業(yè)4.0”計劃（2013）、《數(shù)字議程（2014—2017）》（2014）、《數(shù)字化戰(zhàn)略2025》（2016）、《德國工業(yè)戰(zhàn)略2030》（2019）等系列政策措施，通過增加投資鼓勵關鍵高新技術發(fā)展、推動數(shù)字化轉型等，保持其科技創(chuàng)新活力，從而促進經(jīng)濟增長[1-4]。

德國在金屬增材制造（又稱“3D打印”）領域的研究和應用走在世界前列[5，6]，其將增材制造視為實現(xiàn)“工業(yè)4.0”計劃的“智能生產(chǎn)”和“智能工廠”的重要路徑之一，進行重點發(fā)展[7-9]。2008年，德國成立了直接制造研究中心 （Direct Manufacturing Research Center，DMRC），主要業(yè)務是研究和推動增材制造技術在航空航天領域的應用。德國《數(shù)字化戰(zhàn)略2025》重點支柱項目包括工業(yè)增材制造等；德國弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會（Fraunhofer-Gesellschaft，以下簡稱“弗勞恩霍夫協(xié)會”）、亥姆霍茲聯(lián)合會（Helmholtz Association of German Research Centres）、Concept Laser公司、EOS公司等，為德國增材制造創(chuàng)新做出了貢獻。特別值得一提的是，由于相互協(xié)作帶來良好的經(jīng)濟和社會效益，德國科研機構與企業(yè)間逐漸形成了良好的產(chǎn)學研協(xié)作氛圍和合作機制，進而提升了德國的科研創(chuàng)新效率[10-13]。所以德國政府特別提倡對增材制造的各種資源進行整合，從發(fā)展增材制造所需的技術和工藝的各環(huán)節(jié)入手，實施縱向科技攻關[9]。

弗勞恩霍夫協(xié)會是歐洲最大的應用科研機構，在產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新方面表現(xiàn)突出，旗下多家研究所在增材制造領域積累了豐富的經(jīng)驗。其官網(wǎng)2021年1月發(fā)布的資料顯示，其2020年的研究經(jīng)費達到28億歐元（合人民幣約217億元），其中約24億歐元（合人民幣約186億元）來自委托合同項目[14]。

1 “未來增材制造”計劃概況和參與機構

1.1 計劃概況

2017年11月，弗勞恩霍夫協(xié)會啟動“未來增材制造”（FutureAM）計劃，又稱“下一代增材制造”（Next-Generation Additive Manufacturing）計劃[15]。該計劃整合了弗勞恩霍夫協(xié)會旗下6家研究所的研究力量和資源，主要目標是將增材制造金屬部件的生產(chǎn)速度提高至少10倍?！拔磥碓霾闹圃臁庇媱潓⒃谥圃旃に嚒⒉牧祥_發(fā)、系統(tǒng)自動化和流程數(shù)字化四個方面開展研究（見圖1），致力于實現(xiàn)：可擴展和穩(wěn)健的增材制造工藝流程；擴大可加工和價格實惠的材料范圍；工程技術系統(tǒng)化和自動化；工業(yè)4.0和數(shù)字化流程鏈。

圖1 “未來增材制造”計劃的四個研究方向和框架體系

該計劃期望通過6家研究所在知識、技術和人員方面的協(xié)作和創(chuàng)新，實現(xiàn)：（1）高度利用和整合分散在各研究所的增材制造資源，建立一個全面合作平臺；（2）以生產(chǎn)定制化金屬部件為目標，創(chuàng)建與增材制造生產(chǎn)過程的可擴展性、生產(chǎn)效率和質量相關的技術先決條件，以確保德國在金屬增材制造領域的全球領先優(yōu)勢。

1.2 參與機構概況

參與“未來增材制造”計劃的6家研究所（見表1）分別是[16]：

表1 參與“未來增材制造”計劃的6家研究所

（1）德國亞?。ˋachen）的激光技術研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology，ILT）。該所在激光加工技術方面有30多年的歷史，在增材制造方面擁有多項世界領先的技術。

（2）德國德累斯頓（Dresden）的材料與光束技術研究所（Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology，IWS）。該研究所專注于激光的表面處理和功能制造技術的開發(fā)和應用。

（3）德國不萊梅（Bremen）的制造技術與先進材料研究所（Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials，IFAM）。其是歐洲最重要的材料表面處理、粘合、成型技術以及功能材料開發(fā)研究機構之一。

（4）德國開姆尼茨（Chemnitz）的機床與成型技術研究所（Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology，IWU）。該研究所是德國領先的生產(chǎn)工程研究和開發(fā)領域的創(chuàng)新研究機構。

（5）德國漢堡（Hamburg）的增材制造技術研究所（Fraunhofer Research Institution for Additive Manufacturing Technologies，IAPT）。該所在開發(fā)完整的數(shù)字化流程鏈方面業(yè)內聞名。

（6）德國達姆施塔特（Darmstadt）的計算機圖形研究所（Fraunhofer Institute for Computer Graphics Research，IGD）。該研究所是世界領先的視覺計算應用研究機構，在幾何建模方面經(jīng)驗豐富；開發(fā)了一款名字叫“墨魚”（Cuttlefish）的多材料3D打印機驅動程序，支持數(shù)據(jù)流式傳輸，可實現(xiàn)復雜的大型3D模型的快速打印。

“未來增材制造”計劃的研究開發(fā)活動圍繞兩個方面：從訂單到產(chǎn)品制造的全流程角度，全面考慮增材制造在數(shù)字和實體方面創(chuàng)造的附加值；為研發(fā)飛躍性技術，推動增材制造進入下一代技術。

2 “未來增材制造”計劃的合作機制和措施

為保證研究目標的達成，參與“未來增材制造”計劃的6家研究所，根據(jù)各自在增材制造領域的研究積累和技術專長，通過分工和合作，實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新，主要措施如下。

2.1 充分發(fā)揮各研究所的專業(yè)優(yōu)勢，推動跨領域合作

“未來增材制造”計劃以發(fā)揮6家研究所的專業(yè)優(yōu)勢為宗旨，對四個研究方向進行任務分工，研發(fā)工作模式為“一所主導，多所協(xié)同”，具體如下：

（1）激光技術研究所負責“未來增材制造”計劃的總體協(xié)調，確保實現(xiàn)可擴展和穩(wěn)健的增材制造工藝流程；

（2）材料與光束技術研究所和制造技術與先進材料研究所合作，共同研發(fā)如何通過添加第二種高強度材料制造金屬材料增強結構；

（3）機床與成型技術研究所負責組件后處理技術的系統(tǒng)工程和自動化實現(xiàn)；

（4）增材制造技術研究所負責工業(yè)4.0和數(shù)字化過程鏈建設，計算機圖形研究所將一同參與該部分的建設工作。

這6家研究所及其科學家通過緊密合作，實現(xiàn)對整個流程鏈中所有工藝步驟的整合，包括設計或重新設計金屬部件、用選擇性激光熔化工藝生產(chǎn)金屬部件、用激光金屬沉積技術制造支撐結構、自動移除支撐結構、對金屬部件進行后處理等。

2.2 通過虛擬實驗室實現(xiàn)網(wǎng)絡化協(xié)作和數(shù)字化制造

與全球增材制造領域的其他聯(lián)盟或研究計劃相比，“未來增材制造”計劃的顯著特點是更加注重實用，致力于新材料開發(fā)、創(chuàng)新設計方案、實現(xiàn)完全數(shù)字化的流程鏈，以及將生產(chǎn)速度提升10倍。

為了實現(xiàn)上述目標，分布在德國6個城市的6家研究所通過一個虛擬實驗室（Virtual Lab）系統(tǒng)進行合作。該虛擬實驗室通過封閉的數(shù)字化地圖對所有參與機構的專業(yè)技能和擁有的設備進行畫像，以數(shù)字孿生的方式為每個實體（設備或產(chǎn)品）描述和分配一個虛擬身份，組成了信息化實體系統(tǒng)的虛擬部分。在此基礎上，所有的物理實體產(chǎn)品都可以通過建模和仿真進行優(yōu)化，這對于實現(xiàn)錯誤診斷、預測分析、產(chǎn)品和過程優(yōu)化等目標，從而保證產(chǎn)品質量是非常重要的。

以汽車轉向節(jié)的制造過程演示為例（見圖2），展示6家研究所是如何通過虛擬實驗室進行溝通與合作的。

圖2 通過虛擬實驗室實現(xiàn)汽車轉向節(jié)部件的協(xié)作制造過程演示

第一步，對組件進行設計或重新設計，例如為減輕重量在汽車轉向節(jié)部件中引入點陣或空心結構。這部分工作由負責“工業(yè)4.0和數(shù)字化過程鏈”建設工作的增材制造技術研究所完成。

第二步，通過激光粉末床熔化（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）工藝制造汽車轉向節(jié)部件，將采用由激光技術研究所開發(fā)的“可擴展和穩(wěn)健的增材制造工藝流程”。

第三步，將制造的部件通過材料與光束技術研究所開發(fā)的激光材料沉積工藝與第二種高強度材料進行鏈接而制成增強結構部件。

第四步，通過機床與成型技術研究所開發(fā)的“工程技術系統(tǒng)化和自動化”系統(tǒng)，自動去除汽車轉向節(jié)部件的支撐結構并進行后處理，實現(xiàn)自動化制造。

從汽車轉向節(jié)制造過程的演示可以看出，“未來增材制造”計劃通過將新技術和新工藝融入研究開發(fā)活動中，并通過虛擬實驗室協(xié)同合作，期望以最佳方式實現(xiàn)應用目標。

未來，虛擬實驗室將能實現(xiàn)：

（1）為新產(chǎn)品開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐，大大減少新產(chǎn)品資格認證的時間；

（2）將產(chǎn)品生產(chǎn)需求自動分配給機器的能力會越來越強，包括調整生產(chǎn)過程中的相關工藝參數(shù)以及自主考慮產(chǎn)品要求（如質量）和生產(chǎn)目標（如交付時間），制造過程將更加智能；

（3）通過適當?shù)脑u估和監(jiān)控工具為現(xiàn)場人員提供支持，整個制造過程將完全數(shù)字化，人類的角色將從當前的集中指令型向決策和監(jiān)控型轉變。

2.3 吸納企業(yè)參與關鍵技術開發(fā)

實現(xiàn)數(shù)字化是“未來增材制造”計劃所有研究開發(fā)活動的主線，也是計劃成功的關鍵。為了彌補弗勞恩霍夫協(xié)會在數(shù)字化流程開發(fā)方面的資源不足，“未來增材制造”計劃吸納了位于德國漢堡的LZN公司。LZN公司原是德國漢堡工業(yè)大學的下屬公司，以開發(fā)完整的數(shù)字化流程鏈而聞名。為更方便參與“未來增材制造”計劃，LZN公司更名為增材制造技術研究所，成為弗勞恩霍夫協(xié)會的一員，負責工業(yè)4.0和數(shù)字化流程鏈的開發(fā)。這種以靈活的方式吸納具有專業(yè)優(yōu)勢的企業(yè)成為項目關鍵技術開發(fā)成員的機制值得借鑒。

3 “未來增材制造”計劃研究進展

在實施過程中，“未來增材制造”計劃的研究人員不斷探索增材制造技術與人工智能、機器學習等新興技術的結合，在增材制造新工藝開發(fā)、多金屬材料一體化制造、模塊化材料開發(fā)、系統(tǒng)自動化和流程數(shù)字化方面取得階段性進展[13]。

3.1 開發(fā)增材制造新工藝，實現(xiàn)加工速度和質量雙提升

3.1.1 新激光粉末床熔化技術使制造速度提高10倍

2020年7月，激光技術研究所宣布開發(fā)出可擴展的激光粉末床熔化（LPBF）技術加工方案，新加工方案原型機集成了5個激光掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)了掃描振鏡和線性軸系統(tǒng)的同步運動，在加工速度方面比現(xiàn)有激光粉末床熔化設備提高10倍，可制造的金屬部件尺寸最大可達1 000 mm×800 mm× 500 mm。而且新激光粉末床熔化加工方案配置的軟件，可控制粉末材料熔化時的能量輸入，能為每個熔體軌跡分別設置工藝參數(shù)，提高部件質量和制造速度。

3.1.2 超高速激光材料沉積技術修復或制造三維復雜結構部件

激光技術研究所從2010年左右就開始了超高速激光材料沉積（Extreme High-Speed Laser Material Deposition，EHLA）技術的開發(fā)，初衷是借助激光技術在旋轉對稱部件表面沉積、涂覆金屬涂層，達到保護金屬部件的目的。超高速激光材料沉積采用激光將金屬粉末加熱熔融成液態(tài)金屬，沉積在工件表面形成金屬涂層，且不需要加熱基板，可用于修復或制造金屬部件。對于長度為1 200 mm，直徑為200 mm的圓輥，表面涂層厚度范圍為50至300μm時，超高速激光材料沉積的加工速度為20至200 m/min。

超高速激光材料沉積工藝過程經(jīng)濟環(huán)保，具有替代當前金屬腐蝕和磨損保護方法（如硬鍍鉻和熱噴涂）的潛力，獲得弗勞恩霍夫協(xié)會年度獎。目前，激光技術研究所正在德國亞琛建造開發(fā)一個基于超高速激光材料沉積技術的原型設備，設備噴嘴可以以重力加速度的5倍噴射金屬粉末，有望實現(xiàn)3D復雜結構部件的高速制造。

3.2 擴大增材制造金屬材料范圍

對于金屬增材制造來說，商業(yè)化的金屬材料仍然比較少，開發(fā)更多可用材料是一大挑戰(zhàn)，也是“未來增材制造”的目標之一。

3.2.1 人工智能和機器學習助力新材料開發(fā)和制 造質量提升

材料與光束技術研究所在金屬材料開發(fā)和激光加工技術方面具有豐富經(jīng)驗，借助先進的人工智能和機器學習技術，材料與光束技術研究所圖像處理和數(shù)據(jù)管理課題組的科研人員，通過傳感器高頻采集了大量激光加工過程的詳細數(shù)據(jù)并進行深度分析，可提升對激光加工過程材料變化和激光加工工藝參數(shù)的理解，由此創(chuàng)造更多、更神奇的材料。

3.2.2 激光焊接直接制造無缺陷鎳基高溫合金MAR-M247部件

MAR-M247鎳基高溫合金是一種定向凝固高溫合金材料，具有優(yōu)良的可鑄造性、抗蠕變和抗熱腐蝕性能，被廣泛用于制造工作溫度在1 000℃左右的航空發(fā)動機和重型燃氣輪機熱端部件（如動葉片和靜葉片），但是由于該合金熔融—凝固過程速度過快會導致開裂，無法通過焊接工藝制造金屬部件，限制了其在更多領域的應用[17]。材料與光束技術研究所的科研人員借助其開發(fā)的熔融—凝固進程感應系統(tǒng)，采用激光沉積焊接工藝，成功加工出無缺陷的鎳基合金MAR-M247部件，這對于實現(xiàn)航空發(fā)動機和重型燃氣輪機相關高溫合金部件的快速制造具有重大意義。

3.2.3 多金屬材料的一體化制造

理論上，增材制造可以實現(xiàn)多種材料的一體化制造，而無需后續(xù)的連接處理，但多金屬材料一體化增材制造仍然面臨材料融合過程無法控制、產(chǎn)品可靠性檢驗和驗證方法缺乏等挑戰(zhàn)。材料與光束技術研究所的研究團隊在熔融—凝固進程感應系統(tǒng)的幫助下，控制不同材料在組件中的位置，成功地制造了一種從鎳基合金718（Inconel 718）到鈷基合金72（Merl 72）的漸變材料，可最大限度地發(fā)揮各成分材料的功能。

多金屬材料一體化制造的成功打開了新功能和應用的大門，這意味著不僅可以實現(xiàn)部件的不同功能，還可以根據(jù)后續(xù)的應用需求，將不同的材料精確放置在制造部件中最適合的位置，這是傳統(tǒng)設計無法實現(xiàn)的，使制造高性能部件成為可能，例如制造更輕和耐高溫的渦輪葉片。

3.2.4 材料改性和“模塊化材料系統(tǒng)”開發(fā)概念

大多數(shù)激光粉末床熔化工藝需要球形金屬粉末，導致成本居高不下，制造技術與先進材料研究所正在測試各種改性方法以提高金屬粉末的流動性，以提高競爭力。制造技術與先進材料研究所的研究團隊正在開發(fā)一種“模塊化材料系統(tǒng)”（Modular Material System），這個系統(tǒng)將包括母合金、金屬粉末，也包括預合金鋼；為了使制造的金屬部件具有某些特性，也可以向預合金鋼中添加其他金屬粉末。

3.3 工程技術系統(tǒng)化和自動化開發(fā)

3.3.1 自動化后處理系統(tǒng)

當前，金屬增材制造零件的結構復雜，需要繁瑣的手動后處理過程，其成本占總處理成本的70%，亟需提高后處理過程的自動化水平。機床與成型技術研究所負責工程技術系統(tǒng)化和自動化開發(fā)，期望在激光增材制造過程中使用自動化集成組件，減少手工操作，以避免過程中斷，從而提高制造部件的可重復性。

同時，基于“可根據(jù)制造過程要求而進行自我配置的靈活機器概念”而設計的自動制造單元，包括搬運、粉末移除、支撐結構去除、機械返工和光學組件測量等部件，將用于演示和驗證增材制造零部件自動后處理的可行性。

3.3.2 3D打印過程原位在線監(jiān)測軟件提高魯棒性

為了提高制造過程的魯棒性，激光技術研究所的科研人員正在研究監(jiān)視金屬3D打印的新方法。激光技術研究所在其增材制造系統(tǒng)中集成了多種傳感和監(jiān)測設備用于原位在線監(jiān)測，例如，結構傳感器會檢測到諸如支撐結構去除時間等關鍵事件；超聲波傳感器分析空氣傳聲，以確定組件質量；利用脈沖激光引發(fā)部件的結構噪聲，并將結果傳輸給激光測振儀，有助于發(fā)現(xiàn)微孔位置，以便立即進行干預。原位在線監(jiān)測應該做到用后續(xù)加工程序對制造中的金屬部件的局部問題進行修改。

3.3.3 材料性能檢測和質量保障

為了確保連續(xù)供應生產(chǎn)系統(tǒng)的金屬粉末質量一致，制造技術與先進材料研究所的研究團隊計劃開發(fā)一個在線質量保證系統(tǒng)，未來該系統(tǒng)將被整合進制造工藝系統(tǒng)。目前，制造技術與先進材料研究所已經(jīng)開發(fā)了一個材料測試平臺，可對各種材料進行質量檢測，并通過模擬粉末運輸行為及控制其運動保證了金屬粉末質量的一致性。

4 經(jīng)驗總結

為實現(xiàn)“增材制造”的智能制造，弗勞恩霍夫協(xié)會響應德國政府號召，通過“未來增材制造”計劃整合了旗下各研究所的增材制造資源，為確保德國在金屬增材制造領域的全球領先優(yōu)勢做出努力和貢獻，其運行機制和經(jīng)驗值得借鑒。

（1）以應用為導向的跨機構合作機制。

在完成富有挑戰(zhàn)性的項目時，弗勞恩霍夫協(xié)會旗下的各研究所通過臨時組建合作團隊的方式進行機構間合作，協(xié)同推進、達成項目目標?！拔磥碓霾闹圃臁庇媱澋膶嵤┻^程和機制即是非常典型的例子，以實現(xiàn)“將增材制造金屬部件的生產(chǎn)速度提高至少10倍”為目標，充分發(fā)揮分布在德國6個城市的6家研究所的各自專業(yè)優(yōu)勢，促進機構間合作，保障了項目目標的實現(xiàn)。

（2）借助數(shù)字化的虛擬實驗室實現(xiàn)機構間協(xié)作和數(shù)字化制造。

“未來增材制造”計劃以實現(xiàn)從訂單到產(chǎn)品制造的全流程數(shù)字化為目標，研發(fā)飛躍性技術，推動增材制造進入下一代技術。為實現(xiàn)目標，分布在德國6個城市的6家研究所通過一個虛擬實驗室系統(tǒng)共同參與數(shù)字化制造過程，合作制造實體產(chǎn)品的展示樣件。

（3）靈活的轉換機制保障了研究機構和科研團隊的穩(wěn)定，為科技創(chuàng)新提供基礎保障。

為更方便參與“未來增材制造”計劃，LZN公司通過更名為增材制造技術研究所的方式，成為弗勞恩霍夫協(xié)會的一員。這種根據(jù)特定研究項目需求，非常靈活地將企業(yè)整體改制為研究機構的做法，不僅實現(xiàn)了資源的高效利用，同時保證了研究機構和科研團隊的穩(wěn)定，是一種非常值得借鑒的科技創(chuàng)新機構合作機制，也是推動德國工業(yè)創(chuàng)新的根本性力量之一。