近年來從大規(guī)模個(gè)性化到工業(yè)4.0，或最近的軟件定義制造（SDM），許多制造模式都在發(fā)展。在幾乎所有這些范例中都可以觀察到一種趨勢，即增加產(chǎn)品種類，相應(yīng)地減少批量，同時(shí)以更低的價(jià)格和更短的上市時(shí)間作為目標(biāo)。這一趨勢（通常稱為“批量1”）仍在持續(xù)，并對制造商構(gòu)成挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘?dǎo)致產(chǎn)品及其生產(chǎn)的要求不斷變化，制造商必須應(yīng)對這些變化。

　　“批量1”要求高度通用、完全且易于適應(yīng)且同時(shí)高效的制造環(huán)境。大多數(shù)現(xiàn)有的范式都將制造系統(tǒng)作為整體來解決這一挑戰(zhàn)，這當(dāng)然是一個(gè)重要方面。然而，機(jī)床本身也必須具備通用性和很強(qiáng)的適應(yīng)性。這種“通用制造節(jié)點(diǎn)”被認(rèn)為是SDM 的關(guān)鍵促成因素之一。

　　激光對于這種通用制造節(jié)點(diǎn)是一種非常有前途的工具，因?yàn)樗呀?jīng)是一種通用工具。原則上，可以使用激光作為工具并僅改變幾個(gè)加工參數(shù)，覆蓋德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 8580 的所有6 個(gè)主要制造組的工藝。這為開發(fā)通用制造節(jié)點(diǎn)提供了機(jī)會(huì)，該節(jié)點(diǎn)利用基于激光的工藝組合，實(shí)現(xiàn)了高度通用性和適應(yīng)性的制造模式。然而，在相應(yīng)的系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域仍有相當(dāng)大的研究需求。

　　通用激光器的關(guān)鍵技術(shù)

　　斯圖加特大學(xué)Institut für Strahlwerkzeuge(IFSW) 初級(jí)研究小組“先進(jìn)制造”正在研究和開發(fā)這種通用激光器的關(guān)鍵技術(shù)。這個(gè)跨學(xué)科小組工作由IFSW、機(jī)床研究所(IfW) 和機(jī)床與制造單元控制工程研究所(ISW) 聯(lián)合開展，同樣在斯圖加特大學(xué)以及卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT) 的生產(chǎn)科學(xué)研究所(wbk)。

　　研究團(tuán)隊(duì)主要考慮遠(yuǎn)程（或具有遠(yuǎn)程能力的）激光工藝，因?yàn)樗鼈冏钸m合利用激光的多功能性，因?yàn)樗鼈兊氖褂脺p少了對外部硬件的需求，例如用于供應(yīng)工藝氣體或填充材料的輔助設(shè)備。此外，研究人員還專注于金屬加工設(shè)備，作為邁向通用激光器的第一步。

　　對此，研究團(tuán)隊(duì)確定了向通用制造節(jié)點(diǎn)發(fā)展所需的五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。激光工藝鏈：需要了解激光工藝鏈中的技術(shù)相互作用，以獲得優(yōu)化的生產(chǎn)順序?？刂萍軜?gòu)：需要實(shí)時(shí)應(yīng)用和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的“動(dòng)態(tài)”重新配置，以確保不同激光制造工藝之間的無縫切換。運(yùn)動(dòng)學(xué)：在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)不同的激光制造工藝并充分利用其潛力，需要高度動(dòng)態(tài)和精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)。參數(shù)預(yù)測模型：需要用于預(yù)測不同激光制造工藝的工藝參數(shù)的模型，以最小化時(shí)間、材料消耗和實(shí)驗(yàn)工作量。適應(yīng)性工藝診斷：對不同激光制造工藝和不斷變化的邊界條件進(jìn)行可靠的在線質(zhì)量監(jiān)控。

　　當(dāng)前的挑戰(zhàn)和研究需求

　　在開發(fā)通用激光器的這些關(guān)鍵技術(shù)方面，目前仍有一些挑戰(zhàn)需要攻克。由于在一臺(tái)設(shè)備上可以訪問多種不同的激光工藝，因此通用激光制造節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)多種通用和可適應(yīng)的工藝鏈。同時(shí)，必須考慮所涉及過程之間的技術(shù)相互作用，以獲得優(yōu)化的過程鏈。

　　盡管研究人員可以從主要使用傳統(tǒng)制造工藝（如鑄造、銑削或車削）的工藝鏈中了解到，但是對于基于激光的工藝鏈，迄今為止對工藝之間的技術(shù)相互作用知之甚少，現(xiàn)有知識(shí)主要局限于兩種激光工藝的組合。因此，研究團(tuán)隊(duì)需要研究激光工藝之間的技術(shù)相互作用，以擴(kuò)展這一知識(shí)，特別是對于包含兩個(gè)以上激光工藝的工藝鏈。此外，這些知識(shí)必須以數(shù)字形式提供，以支持基于激光的工藝鏈的優(yōu)化。

　　這種通用且適應(yīng)性強(qiáng)的工藝鏈還需要一種控制架構(gòu)，該架構(gòu)支持在不同的激光工藝之間進(jìn)行輕松無縫的實(shí)時(shí)切換。包括交換實(shí)時(shí)控制應(yīng)用程序和重新配置相應(yīng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槊總€(gè)過程都需要一組不同的控制應(yīng)用程序來運(yùn)行。最好是仿照網(wǎng)絡(luò)物理生產(chǎn)系統(tǒng)(CPPS) 的分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該用于此。對于基于激光的進(jìn)程之間的不間斷切換，在不中斷通信的情況下重新配置實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，以免影響設(shè)備上任何其他當(dāng)前正在運(yùn)行或未來的進(jìn)程。這需要一個(gè)專門的概念和操作來重新調(diào)度實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，這將被進(jìn)一步開發(fā)和實(shí)施。

　　各種不同的激光工藝和基于激光的工藝鏈也導(dǎo)致機(jī)器必須涵蓋的加工參數(shù)范圍廣泛。所需的加工速度可以從幾米 / 分鐘到1000 米/ 秒的數(shù)量級(jí)（特別是對于超短脈沖激光加工），而所需的激光光斑直徑可以從幾十微米到幾厘米。此外，設(shè)備應(yīng)允許在高達(dá)幾立方米的加工體積內(nèi)加工不同形狀和尺寸的3D 零件。當(dāng)前使用的運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)不能同時(shí)滿足所有這些要求，在至少一個(gè)方面受到限制，例如在動(dòng)力學(xué)或處理體積方面。

　　因此，研究人員需要一種新的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)專門針對激光制造并考慮激光作為制造工具的特殊特性，而不是使用為機(jī)械加工過程設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)。隨著“批量1” 的趨勢，每個(gè)待制造的零件可能不同，這意味著新零件的最佳工藝參數(shù)也可能都不同，加工前每次都必須重新確定。

　　假設(shè)基于模型的程序最適合該參數(shù)估計(jì)任務(wù)，以最小化相關(guān)的制造成本和耗時(shí)。方法是使用所謂的“混合模型”，它是基于物理模型（例如分析或簡化的數(shù)值模型）和基于數(shù)據(jù)的模型（機(jī)器學(xué)習(xí)）的組合。這種方法有助于使模型更加可靠，以補(bǔ)償過于復(fù)雜或計(jì)算量太大而無法顯式建模的物理效應(yīng)，同時(shí)減少機(jī)器學(xué)習(xí)模型所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)量。

　　質(zhì)量監(jiān)控是制造的另一個(gè)重要方面，理想情況下應(yīng)直接在線進(jìn)行。對于通用制造節(jié)點(diǎn)，需要一個(gè)易于適應(yīng)各種工藝的監(jiān)控系統(tǒng)。最好的情況是使用精益設(shè)置，其中僅包含少量不同的傳感器。

　　結(jié)果表明，大部分考慮的質(zhì)量特征可以大致分為“表面缺陷”和“內(nèi)部缺陷”。一種很有前景的傳感器組合是掃描光學(xué)相干斷層掃描（OCT）系統(tǒng)和掃描高溫計(jì)的組合。確?？煽吭诰€質(zhì)量監(jiān)控的另一個(gè)重要方面是適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法。

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