從愿景到現實：帶有“工業 4.0”印記的全新機器和設備架構
利希滕費爾斯（Lichtenfels，德國），2015 年 11 月 17 日——歐洲首屈一指的模具制造及加工、快速成型制造和增材技術的專業展覽會，法蘭克福國際精密成型及3D打印制造展覽會（formnext）于 2015年11月17日至 20日在德國法蘭克福舉行。作為激光熔融技術領域內的創新領導者Concept Laser公司在該展會上首次推出并展示了一種全新的機器和設備架構——“AM Factory of Tomorrow”方案。該方案的首次亮相表明Concept Laser已經深深地將智能化、集成化等工業愿景扎根在企業的發展戰略之中。
以“AM Factory of Tomorrow”為關鍵詞的全新完整機器方案預示著增材制造技術將在質量、靈活和效率等方面達到新的高度，其設備在生產環境中的模塊化集成方式通過全新的過程組件架構方法也將震驚世人。Concept Laser在formnext上表示，該方案將于2016年全面進入市場。
迄今為止，在全球增材制造市場上有關機器和技術設備的解決方案中都異口同聲地以諸如“更多激光源”、“更高激光功率”、“更快制造速度”或“擴大結構空間”為口號。但在這些解決方案中，技術設備仍是“孤立”的解決方案，并沒有協調地集成到生產環境中去，產品構造任務的準備和執行仍需要順序交付。現在，Concept Laser 嘗試采用新的設備架構，通過全新的視角對傳統的生產方法進行擴展。Concept Laser 研發總監 Florian Bechmann 博士介紹說：“我們的技術核心在于將產品構造任務的準備、跟進以及增材制造過程分解到任意可組合的模塊當中，通過相對較大的構造空間可以在不同的時間內執行不同的構造任務，從而大幅度降低此前孤立設備的“停機時間”。這種新的生產方案蘊藏著巨大地用于改善生產鏈中附加值的潛力，相比之前方案中純粹的設備數量疊加方法，我們在這里看到了能夠讓工業批量生產更進一步的全新方法。”
“AM Factory of Tomorrow”全新解決方案
目前，全球各地都出現了作為服務提供商的區域性打印中心。這種發展的特點在于從“原型制造”過渡到了根據需要、可靈活的進行工業規模化批量生產。增材制造用戶已經感受到了原始的經典制造方法的問題和壓力：缺乏空間，需要擴充機械設備，操作任務、尤其是操作時間增加等。為此， Concept Laser的 “AM Factory of Tomorrow”全新方案給出了一個有趣的解決方案：將生產與準備過程實現“技術設備脫鉤”。增材制造生產的時間窗口將提升至“24/7 水平”，所有組件都將具備更高的可用性。自動化的物料流將明顯減輕操作人員的壓力。通過接口可以將激光熔融設備集成到傳統的 CNC 技術設備中，這對例如混合型部件以及下游工序（后處理 / 精加工）來說，都具有重要意義。
圖 1：“AM Factory of Tomorrow”：使用 Concept Laser 的增材制造模塊將以最小空間占用進行智能、“穩健”的工業規模生產。
“試生產”、“生產”和“后處理”脫鉤
Concept Laser“AM Factory of Tomorrow”全新方案的新設備架構主要特征就在于“試生產”、“生產”和“后處理”的脫鉤。其中尤其包括靈活的機器裝料以及加裝和拆卸過程的空間分離。這樣做的目的在于，通過接口有針對性地協調生產組件，并將生產設計的靈活性提升到整個加工生產工藝當中。其“處理平臺”和“構造或加工單元”的一致模塊化結構，讓其在組合和聯機方面擁有更加明顯的靈活性和可用性。此外，通過對這些模塊進行有針對性的組合，還可以更好地處理特定的多樣性材料，并最終獲得更好的經濟性。因此，未來的設備用戶可根據部件的幾何形狀或材料，借助其模塊化設備，非常準確地對其生產任務進行“量身定制”。總而言之，采用Concept Laser全新設備方案，其生產系統的效率和可用性將明顯提高，同時占地要求卻會顯著降低。模擬的生產場景顯示，相比現有的方法，采用這種方法占地要求最多能降低 85%的同時，每平方米的激光功率則提高了七倍。Florian Bechmann 博士表示：“多激光技術極大加快了部件的構造速度。結構空間的大小也獲得了相當大的增長。現在，我們希望通過這種集成式的設備方案來進一步證明運用‘工業 4.0’理念來改變作為未來生產戰略的增材制造技術的可行性。可以說，該方案在提高工業生產附加值和批量生產的適宜性方面都具有極大的潛力。
圖 2：Concept Laser 新設備架構的基本理念：處理單元和加工單元脫鉤
工廠模塊化解決方案——模塊化加工平臺
這里展示的工藝平臺具有 400 x 400 x >400 mm3 的結構空間，激光源、過程氣體管理和過濾技術設備均以模塊形式集成，層厚處于常規范圍內。此外，該設備解決方案還擁有可變的聚焦直徑，并且可以選配具有 400 - 1,000 W 激光器功率的 1、2 或 4 激光器光學系統。激光器的冗余設計能夠確保在某個激光器失靈時，剩余的三個激光器仍能覆蓋整個構造板 - 仍然能夠完成構造任務。Florian Bechmann 博士說：“越來越多的激光源只能有限地提高預期速度。但最終它們還會讓生產變得復雜和產生依賴性，從而導致生產的脆弱，以及由此產生的逆轉，即讓所需的正面效果逆轉成為負面因素。”
圖 3：Concept Laser 研發總監 Florian Bechmann 博士介紹說：“越來越多的激光源只能有限地提高預期速度。且最終它們還會讓生產變得復雜和產生依賴性，從而導致生產的脆弱，以及由此產生的逆轉，即讓所需的正面效果逆轉成為負面因素。”
工廠模塊化解決方案——模塊化處理平臺
新的處理平臺內置了篩選裝置和粉末管理裝置，不再需要通過容器在機器和篩選裝置之間進行運輸。而下一個構造任務所需要進行的拆包、準備工作以及篩選過程也都將在封閉的系統內完成，操作人員無需再與粉末接觸。模塊化處理平臺的誘人之處還在于其特殊的結構設計：一個處理平臺可以同兩個加工平臺組合成一個“制造單元”；對于工廠化產品組建，則可將多個處理平臺合并成一臺原料制備站，并從加工平臺分離出來。
圖4：用一個處理平臺與兩個加工平臺組合成一個“制造單元”
圖 5：處理模塊可以構成中央金屬粉末制備站
工廠模塊化解決方案——模塊組合
全新的工廠模塊化解決方案提供了三種類型的模塊：加工模塊、配料模塊和“溢流”模塊，這些模塊都可按照不同的高度供應。值得注意的是，這些模塊可以不使用管道或軟管直接連接，僅通過 RFID 接口就可以進行識別。這樣，在將多種類型的材料供應至構造過程進行加工時，就能在保持靈活性的同時，確保大吞吐量下的材料流安全。“未來， 我們還將考慮高度自動化的增材制造工廠。”Florian Bechmann 博士說，“可以設想，材料或整個模塊的運輸可能都將依靠例如無人駕駛的運輸系統，這很可能就是我們發展的下一步。增材制造將最大程度的自動化。”
圖6：“AM Factory of Tomorrow”的互聯：未來的增材制造工廠應該是一個可以靈活擴展、高度自動化且能夠集中控制的生產系統，它能夠最大程度地應對生產任務。
新型 2 軸涂層工藝
新的設備方案中采用了新型 2 軸涂層系統，該系統允許涂層機在曝光的同時返回。這可以在涂層工藝中節省大量時間。
在構造任務中，可以自動更換使用橡膠、鋼或碳制成的涂層機刀片。按照 Florian Bechmann 博士的說法，這將帶來許多好處：“像 CNC 技術設備中那樣的自動刀具更換系統可以讓機器的裝備過程具有很高的靈活性和時間優勢，這能減少操作人員的手動干預。在這里，我們說的是‘穩健生產’。”
備注:
Concept Laser 15 年
Concept Laser GmbH 在 2001 年，也即 Frank Herzog 成立公司的第二年，推出了世界上第一臺工業激光熔融設備。目前，該創導者已憑借其 LaserCUSING 方法擁有超過 50 項專利授權以及 100 項專利申請。該方法可以通過數字化過程鏈，采用具有增強特性的金屬生產出傳統車削加工無法生產的 3D 部件。超過 550 臺的已安裝設備讓 Concept Laser 成為了基于粉末床技術的金屬激光熔融法的主要領導者。因為節約資源，該方法也被稱為“綠色技術”。目前航空航天業、汽車行業、醫療技術和其他行業都在戰略上寄希望于這種作為未來制造戰略和“工業 4.0”表現形式的 3D 金屬打印技術。
全部圖片來源：Concept Laser GmbH，利希滕費爾斯（Lichtenfels，德國）
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