根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，材料是推動(dòng)增材制造突破界限約束的驅(qū)動(dòng)力！人工智能、數(shù)字材料、人工雙胞胎，這些因素正在推動(dòng)推動(dòng)增材制造突破界限約束。

根據(jù)德國(guó)弗朗霍夫研究所-Fraunhofer，未來(lái)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵是材料，以數(shù)字形式提供材料的行為，將產(chǎn)品開發(fā)與材料開發(fā)關(guān)聯(lián)，通過(guò)工業(yè) 4.0將材料信息鏈接到整個(gè)加工應(yīng)用鏈條中，大幅降低材料的全壽命應(yīng)用成本。

根據(jù)中國(guó)鋼研，企業(yè)發(fā)展材料數(shù)字化研發(fā)，對(duì)歐美企業(yè)來(lái)說(shuō)，其目的是大幅縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，對(duì)中國(guó)制造來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)不止于此，其意義在于幫助中國(guó)深刻認(rèn)識(shí)材料創(chuàng)新研究的機(jī)理，使研發(fā)過(guò)程可迭代、可升級(jí)。

此前，由英國(guó)劍橋的Intellegens開發(fā)的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法已被用于設(shè)計(jì)一種新的用于金屬增材制造的鎳基合金，減少了合金開發(fā)15年的努力時(shí)間。

可以說(shuō)在我們當(dāng)前的數(shù)字時(shí)代，機(jī)會(huì)以不斷增長(zhǎng)的速度出現(xiàn)并成熟。

未來(lái)，或許我們將不再談如何將制造數(shù)字化，因?yàn)槟菚r(shí)候制造從材料到成品就是數(shù)字化的。

本期，窺一斑而見豹，3D科學(xué)谷與谷友通過(guò)幾個(gè)典型案例來(lái)共同領(lǐng)略國(guó)內(nèi)外在推動(dòng)digital materials-數(shù)字材料方面的最新研發(fā)舉措。

▲ RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)DAP數(shù)字增材制造學(xué)院

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貫穿設(shè)計(jì)到制造的數(shù)字化材料

/ 亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH) DAP數(shù)字增材制造

數(shù)字材料可以只包含一種材料，可以包含多種材料。

我們來(lái)看看一種材料由于在幾何體中的密度分布可能會(huì)有所不同，因此零部件在不同的位置可以具有不同的機(jī)械性能。

3D打印-增材制造可以在不同材料分布的幫助下根據(jù)負(fù)載和其他要求調(diào)整局部密度。此外，借助定制的數(shù)字材料，可以優(yōu)化組件的重量、成本和生產(chǎn)時(shí)間。增材制造 (AM) 作為一項(xiàng)突破性的生產(chǎn)技術(shù)，由于其幾何自由度和免模具生產(chǎn)，成為可以高效生產(chǎn)數(shù)字材料的工藝。



▲智能化數(shù)字材料

RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)DAP數(shù)字增材制造學(xué)院

為了推動(dòng)數(shù)字材料在工業(yè)應(yīng)用中的非凡潛力，亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn) DAP 學(xué)院專注于開發(fā)用于生成智能數(shù)字材料的創(chuàng)新及高效算法。開發(fā)的解決方案?jìng)?cè)重點(diǎn)是在未來(lái)生成數(shù)字材料時(shí)可以自動(dòng)集成生產(chǎn)和應(yīng)用相關(guān)的條件，從而使得設(shè)計(jì)更輕松更智能化。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，在材料的智能化數(shù)字化方面，亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn) DAP 學(xué)院目前的主要開發(fā)重點(diǎn)在以下領(lǐng)域：

考慮制造限制（例如臨界懸角或最小可實(shí)現(xiàn)特征尺寸）的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)生成算法

基于負(fù)載和邊界條件的自適應(yīng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)生成

共形晶格結(jié)構(gòu)生成

局部或全局晶格結(jié)構(gòu)的細(xì)化算法

拓?fù)鋬?yōu)化算法

將增材制造設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)與在增材制造工藝開發(fā)領(lǐng)域多年的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，作為各種項(xiàng)目的一部分，亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn) DAP 學(xué)院正在為汽車、航空、模具和醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)和工業(yè)化數(shù)字材料。



▲走向數(shù)字材料的3D打印骨科植入物

3D科學(xué)谷

/ 數(shù)字流程鏈

不僅尋求制造技術(shù)層面的突破，亞琛的Fraunhofer一直在開發(fā)數(shù)字流程鏈，通過(guò)可擴(kuò)展的，強(qiáng)大的增材制造系統(tǒng)技術(shù)和自動(dòng)化流程以及量身定制的增材制造材料來(lái)提升3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化潛能。

亞琛的科學(xué)家還正在研究監(jiān)測(cè)金屬3D打印的新方法，以提高工藝的穩(wěn)定性和制造的可重復(fù)性。通過(guò)在構(gòu)建平臺(tái)中使用結(jié)構(gòu)傳感器，希望在未來(lái)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的缺陷，例如支撐結(jié)構(gòu)何時(shí)發(fā)生撕裂。此外，超聲波傳感器還用于分析空氣中爆破的聲音以確定與組件質(zhì)量的相關(guān)性。



▲通過(guò)人工智能來(lái)預(yù)測(cè)增材制造加工工藝與材料性能的關(guān)系，從而創(chuàng)建更強(qiáng)大的材料

Fraunhofer

在質(zhì)量控制方面，F(xiàn)raunhofer將不斷推動(dòng)基于激光的超聲波測(cè)量的研究，將在未來(lái)更進(jìn)一步進(jìn)行一系列的研究，包括研究脈沖激光是如何引起結(jié)構(gòu)噪聲，這些變化通過(guò)激光振動(dòng)計(jì)檢測(cè)以形成變量之間相關(guān)性的研究。Fraunhofer希望在制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)孔隙的產(chǎn)生，以便能夠立即進(jìn)行干預(yù)。

金屬粉末方面，3D科學(xué)谷還分享過(guò)Fraunhofer IFAM 采用新的生產(chǎn)方法，可以將鐵基金屬粉末的成本降到當(dāng)前成本的10％左右。鈦金屬粉末等其他材料，也能夠通過(guò)新的制備工藝生產(chǎn)出廉價(jià)的替代品。

/ 人工智能成就超合金

在《增材制造設(shè)計(jì)（DfAM)指南》這本書中，援引了AM零件質(zhì)量影響因素的石川圖，在石川圖中詳細(xì)的舉出了影響加工質(zhì)量的160多種因素，僅僅是激光掃描過(guò)程，就包括了掃描線長(zhǎng)度，掃描線種類，外輪廓，內(nèi)輪廓，掃描方式，掃描速度，光束矯正，收縮補(bǔ)償，掃描線順序，填充間距，填充方向，激光功率，（離）聚焦，表面填充參數(shù)，偏移等等。可見要通過(guò)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)駕馭和平衡160多種影響加工質(zhì)量的變量是非常難的。

好在人工智能 (AI) 已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在這方面，F(xiàn)raunhofer IWS的專家通過(guò)“人工智能”（AI）和“機(jī)器學(xué)習(xí)”的先進(jìn)方法來(lái)提升對(duì)加工過(guò)程的理解，由Fraunhofer IWS圖像處理和數(shù)據(jù)管理工作組進(jìn)行研究。通過(guò)人工智能，可以找到這些數(shù)據(jù)泛洪中的隱藏聯(lián)系。

例如，特殊的分析算法將測(cè)得的傳感器值與研究所的粉末數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系起來(lái)，并評(píng)估進(jìn)一步的工藝參數(shù)。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，機(jī)器逐漸學(xué)習(xí)如何做出自己的決定。例如，可以自主確定是否可以容忍激光熔覆增材制造過(guò)程中溫度的輕微升高，還是必須在導(dǎo)致整個(gè)組件的加工出現(xiàn)質(zhì)量缺陷之前立即采取對(duì)策。

通常采用單一材料設(shè)計(jì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)組件不是很有效，因?yàn)榻M件不會(huì)在所有點(diǎn)上都受到相同的熱量。最好只在溫度很高的地方使用昂貴的高電阻材料，在其他地區(qū)，使用較便宜的材料就足夠了。這正是增材制造系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的，一旦人工智能學(xué)會(huì)了加工所需的超合金，下一步是將各種高性能材料整合到一個(gè)組件中。

/將材料的數(shù)字化與零件增材制造建立聯(lián)系

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，材料巨頭GKN增材制造看到了數(shù)字化的加速趨勢(shì)，以及數(shù)字化在推動(dòng)3D打印突破邊界約束的力量，通過(guò)與與ACAM亞琛增材制造研究中心的密切合作，GKN增材制造正在加速技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)3D打印的主流應(yīng)用從原型與設(shè)計(jì)驗(yàn)證轉(zhuǎn)向批量生產(chǎn)。

目前，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解GKN正在將材料的數(shù)字化與零件增材制造建立聯(lián)系，通過(guò)將GKN Hoeganaes的材料專業(yè)知識(shí)與增材制造組件功能之間建立數(shù)字聯(lián)系，GKN正在加速?gòu)牟牧系搅慵恼麄€(gè)工藝鏈的數(shù)字化，從而為零件的致密性、質(zhì)量的可重復(fù)性，認(rèn)證過(guò)程提供數(shù)字化基礎(chǔ)。

GKN還通過(guò)與西門子的合作將數(shù)字雙胞胎用于實(shí)現(xiàn)增材制造中的批量生產(chǎn)。通過(guò)強(qiáng)大的過(guò)程預(yù)測(cè)來(lái)節(jié)省時(shí)間，這還意味著可以更好地了解3D打印過(guò)程，這是進(jìn)一步降低成本的一個(gè)很好的起點(diǎn)。

目前，GKN已經(jīng)將激光制造過(guò)程中的大部分工藝數(shù)字化。現(xiàn)在，GKN希望通過(guò)對(duì)材料和過(guò)程進(jìn)行全面的數(shù)字描述來(lái)預(yù)測(cè)加工過(guò)程的結(jié)果。

通過(guò)將整個(gè)環(huán)節(jié)以數(shù)字化作為鋪墊，GKN獲得大量的大數(shù)據(jù)，然后從結(jié)果中獲得深刻的理解。具備了深刻的數(shù)字化的DNA。

目前，GKN根據(jù)客戶需求在閉環(huán)系統(tǒng)中開發(fā)用于汽車高性能生產(chǎn)的鋼材。而GKN將粉末生產(chǎn)和3D打印零件制造集中在一個(gè)屋檐下帶來(lái)的不僅僅是部門合作之間的創(chuàng)新，而是理念的升級(jí)，即以應(yīng)用為中心的開發(fā)，并通過(guò)應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字化流程縮短交付周期。

一方面，GKN開發(fā)了供內(nèi)部使用的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的材料，同時(shí)也將這些材料對(duì)外銷售，提供給外部市常

3D打印進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化最關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因素是強(qiáng)大的質(zhì)量和成本。GKN正在致力于通過(guò)數(shù)字表征材料，并將數(shù)字之間的聯(lián)系建立起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的質(zhì)量控制能力。而隨著3D打印的應(yīng)用面獲得更廣泛的推廣，成本將隨之下降。

GKN將這些具有詳細(xì)特征表述的粉末稱為先進(jìn)的數(shù)字粉末，因?yàn)椴豢赡苡?00％可重復(fù)的材料生產(chǎn)，從材料的物理和化學(xué)特征來(lái)看，這是不可能的。

目前，GKN通過(guò)其粉末研究實(shí)驗(yàn)室，對(duì)粉末進(jìn)行金相組織分析，對(duì)粉末形態(tài)進(jìn)行表征。通過(guò)這些關(guān)于粉末的信息，GKN可以建立材料的數(shù)字雙胞胎。通過(guò)與加工流程的數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成對(duì)粉末與加工的相關(guān)性研究。

/金屬材料高通量制備技術(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)安士亞太，未來(lái)新材料的開發(fā)更多的會(huì)以海量的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，這也是當(dāng)前發(fā)展“材料基因組”工程的重要原因，“材料基因組工程”以前所未有的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將人工智能數(shù)據(jù)技術(shù)與高通量計(jì)算、高通量制備、高通量表征等新技術(shù)深度融合，更快、更準(zhǔn)確的獲得成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)新材料及工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)，更快的獲得所需的材料。

材料高通量制備技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)制備大量不同成分的新型材料，可以加速新型材料的研發(fā)與應(yīng)用，被列為材料基因組技術(shù)的三大技術(shù)要素之一。其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統(tǒng)的金屬材料高通量制備方法制備周期長(zhǎng)，制備樣品尺寸較小，能源消耗較高。

隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，采用增材制造技術(shù)開展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發(fā)展，且增材制造高通量制備相較于傳統(tǒng)高通量制備技術(shù)呈現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)：

可以快速成型多種材料試樣；

可以制備毫米級(jí)以上的塊狀樣品；

研究過(guò)程中原材料消耗較少，更經(jīng)濟(jì)。

基于此，安世增材攜手鋼鐵研究總院，基于激光選區(qū)熔化技術(shù)開發(fā)了DLM-120HT金屬材料高通量增材制備設(shè)備。

▲DLM-120HT增材制造金屬材料高通量制備平臺(tái)

安世增材

DLM-120HT是基于異質(zhì)粉末3D打印的新金屬材料開發(fā)高通量制備平臺(tái)。直接利用元素粉末或合金粉末進(jìn)行激光選區(qū)熔化成型，一次打印過(guò)程可實(shí)現(xiàn)4種粉末、160種材料成分配比的力學(xué)性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩癬性能研究以及梯度材料的研究。