基于快速原形制造的模具數字工廠

■ 中國重汽集團濟南橋箱有限公司 （山東濟南 250022） 劉勝勇

高級工程師 劉勝勇

模具快速原形制造技術既適合復雜結構模具的快速經濟制造，又能降低個性化、定制生產和創新設計的加工成本，還可做到無模化的綠色、節能、低碳環保型制造。基于這些特點，它正被陸續應用于醫療服務、汽車制造、通信業務、金屬冶煉和航空航天等領域。如圖1所示為塑膠車門及其注塑模具。

此外，在數控裝備朝著高效、高精和高速發展，互聯網絡基礎建設全面提速的態勢下，在生態環境保護的綠色制造要求下，在人們對制造業潔凈舒適輕盈工況的需求下，數據共享化、過程自動化、裝配無人化及供需定制化的數字工廠將成為當前乃至未來一段時間內模具快速原形制造賴以生存的創新生產力。

模具快速原形制造有兩個環節——快速成形與快速制造。前者是以設計數據為基礎，將液體、粉末、線材或塊材等成形材料變為所需工藝形態后，經具有高精、柔性和自動等特點的成形機按預定輪廓軌跡累加起來，快速得到制件原形。后者是對制件原形進行打磨、拋光、噴涂和機加工等必要的后置處理，以光整制件形廓、提高使用壽命和滿足用戶要求。這兩個環節的數字工廠建設既離不開模具制造一體化集成軟件的采用，也離不開工業互聯神經網絡中樞的搭建；既離不開模具全生命過程自動化的技術改造，也離不開客戶至上的供需定制化應用，還離不開高效運維隊伍的持續建設。

圖1 塑膠車門及其注塑模具

1. 模具制造一體化的集成軟件

在采用快速原形制造技術獲取模具制件的過程中，設計階段基于CAD/CAM/CAE等技術的模具設計輔助軟件是必不可少的，有的甚至兼顧了生產級準備、優化和制造的每一步流程。模具軟件的選擇既涉及公司的資金允許度，又要考慮模具設計的綜合需求，還得兼顧平臺服務器和應用人員的熟悉程度。例如，Mold Planner軟件（見圖2a）可進行模具的構思設計、分模設計和結構設計，Pro/ENGINEER Wildfire軟件（見圖2b）可進行模具的連續沖模設計，MoldFlow軟件（見圖2c）可進行塑料注塑成形的模流分析，3DXpert軟件（見圖2d）可進行3D模型自增材制造到后置處理的集成化設計等。這些軟件的插補精度決定了模具設計的復雜程度，嵌入功能影響了模具制造的結果預判，二次開發度制約了后置處理的功能拓展，硬件兼容度抑制著單元裝配的緩存速度，命令生成碼關聯著數控裝備的網絡程控。

2. 搭建工業互聯神經網絡中樞

隨著互聯網絡基礎建設全面提速，更多的數控裝備、復雜的造形、可控的粉末、快換的工裝、可視的狀態以及交織的熱流道等組件，通過低延遲多節點的互聯網絡，陸續地融入模具快速原形制造中。物料供應、設備運行、能量利用、造形質量、財務報表、生產控制、訂單管理及售后反饋等眾多數據，都可在高效傳輸速率以太網絡（見圖3）輔助下，實時圖形化顯示在可視化終端上。網絡化措施有引入5G網絡，建設云平臺，成立數據部門——規章建制，給定數據規范——命名、編碼及安全等，劃分數據層級——設備端、公司層或云平臺處理，以及優化數據流程等。

圖2 模具制造軟件應用示意

圖3 以太網絡互聯互通示意

3. 模具全生命過程自動化技改

模具數字工廠既離不開模具生產過程及后置處理的數字化控制，也離不開中間加工環節的可視化監視；既離不開模具精度數據的實時采集，也離不開裝/卸料、澆鑄和清洗等步驟的自動化。為此，投入資金、新建廠房、布置方案、購置裝備、搭建網絡、培訓人員、拓寬市場和適應客戶等，均是數字工廠建設必不可少的要素。期間，須將溫度探測、壓力監控、熱能拾取、振動獲知及噪聲抑制，納入到海量數據的采集和處理中；須對裝備工況實現在線診斷，做到刀具壽命管理、線外補償刀補數據等；須對風水電氣消耗、材料使用、質量波動進行動態分析，直觀呈現給中控管理層面并適時作出遠程反饋。選用數控裝備時，要考慮第7代CNC、電主軸、直線電動機和EnDat光柵尺等零部件的配置，考慮主軸功率、定位精度、重復定位精度、低速平穩性和高速振動特性等性能，考慮其二次開放性以及與其他品牌智能裝備的快速集成能力等（見圖4）。選用3D打印等增材制造裝備時，要考慮模具材料的及時供應、工業化大功率能量的提供、成形零件后處理工藝輔助及優異機械耦合性能的匹配等。選用智能機器人時，多選用六自由度關節式工業機器人，以滿足裝/卸料定位要求并適應刀具的剛性抓持；多選用地軌式可移動機器人，盡量少用坑道式/桁架式機器人，以避免坑道維修和高空檢修。此外，還有倉管物聯網的新增、中控軟件開發以及AGV物流輸送等。

圖4 配FANUC機器人的柔性制造線

4. 客戶至上的供需定制化應用

通常，產品只有進行市場交易，才會產生基于價格變動的供需關系。產品供不應求時，其價格上漲至價值以上；產品供大于求時，其價格就會下降到價值以下。模具也不例外，需將其銷售分析納入到數字工廠的大數據分析中。模具商通過歷史數據的組合和當前需求變化的分析，掌握區域性需求占比和變化、模具品類的市場歡迎程度以及用戶的購買層次，進而實時更改模具設計品種、調整經營策略和強化制造流程。基于客戶至上的新型供需關系，模具訂單量決定著數字工廠的運行效率，影響著巨額投資的回報周期，關聯著附加值的后續提升。因此，云計算下海量數據的采集和處理，是模具數字工廠建設中不可忽視的重要一環。某模具的部分財務指標分析見表1。

表1 某模具的部分財務指標分析

圖5 操作人員反饋的工作母機故障示意

5. 數字工廠運維隊伍持續建設

模具企業經營利潤最大化的因素之一，就是在建的數字工廠能夠高品質、高效率地連續運行（見圖5），做到裝備零故障、產品零損失和工時零浪費。這離不開企業全面有效的切實管理，更離不開運維人員操作設備的正確性、保養設備的全面性、跟蹤產品的實時性、根除隱患的徹底性以及恢復運行的及時性。

對于數字工廠運維隊伍的建設，企業要優化結構、培育人才，邁向智造。先是提高認識，制定企業人才隊伍建設規劃；再是搭建平臺，創造條件，用事業發展留人；三是把握規律，完善制度，以制度待遇留人；四是創建學習型企業，促進企業發展和員工成才。

個人要成為智造環境的運維高手，俯首躬耕、刻苦鉆研和創新創效很有必要。個人要注重智慧與品格的修養，真正做到“勿以惡小而為之，勿以善小而不為”；要關注自身工作和行業發展，拓寬知識視野，完善知識結構，提高自身競爭力；要深化發展自身的興趣愛好，基于崗位延伸，涉獵并深入學習其他知識；要摒棄裝備維護費時減產的落后觀念，努力學習崗位業務知識，掌握設備操作要領，提升綜合運維技能。例如，總結快速處理設備故障的四步到位法維修規范：故障記錄到位→診斷分析到位→故障維修到位→維修記錄到位，提煉診斷分析階段的三大維修技法（電信號演繹法、工作介質流向法和機械動作耦合法）及其13個維修子方法。圖6所示為四步到位法維修規范及其維修子方法示意。

圖6 四步到位法維修規范及其維修子方法

6. 結語

模具數字工廠是未來智能工廠的落腳點，更是工業4.0的基礎點。因此，在基于MES環境的信息集成下，對模具快速原形制造涉及的研發、制造和管理等各環節進行全面的數字化管控和深入的大數據分析，提高全生命過程的可控性，減少生產中的人工干預，是構建模具數字化工廠的必經路徑，也是實現數據共享化、過程自動化、裝配無人化和供需定制化“四化”目標的必要手段。