數(shù)字化增材制造的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢

摘 要：以數(shù)字化為基礎(chǔ)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（ＩＩｏＴ）使制造業(yè)進(jìn)入了高效率、高可靠、低成本的智能制造時代。近年來，增材制造作為一種新型制造方法，在航空航天、流程工業(yè)、模具制造、汽車制造等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景。增材制造過程中以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的高性能計(jì)算和分析處理對平衡“質(zhì)量－效率－成本”尤為重要。立足于數(shù)字化智能制造，對增材制造云平臺的實(shí)現(xiàn)原理、云增材制造工業(yè)軟件體系進(jìn)行了深入剖析，闡述了數(shù)字化增材制造的挑戰(zhàn)和潛力。

關(guān) 鍵 詞：增材制造；數(shù)字化；云平臺；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；云制造；工業(yè)軟件；數(shù)字孿生

中圖分類號：ＴＨ１６６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０６５４－１１

近年來，信息技術(shù)（ＩＴ）正在向復(fù)雜現(xiàn)代制造流程滲透，從而以數(shù)字化方式改變?nèi)蛑圃鞓I(yè)，進(jìn)而進(jìn)入智能制造或工業(yè)４.０時代。增材制造（ＡＭ）技術(shù)作為一種新型制造方法，融合了機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)、自動化等多學(xué)科技術(shù)，突破了傳統(tǒng)制造對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束，實(shí)現(xiàn)了“材料－結(jié)構(gòu)－功能”的數(shù)字化和一體化。為“數(shù)字＋制造”而生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)４.０的關(guān)鍵組成部分，使得增材制造全流程關(guān)鍵技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層的資源效率和資源利用率提升成為可能［１］。增材制造憑借經(jīng)濟(jì)全球化和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體量的不斷增長而呈現(xiàn)出數(shù)字化發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)增材制造是一種將材料逐層堆疊組合成零件的制造過程，通常根據(jù)３Ｄ模型數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃并形成最終零件［２］，該過程涉及整合各種類型數(shù)據(jù)集，將設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換為打印設(shè)備可讀路徑文件，打印設(shè)備和傳感控制系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)，獲得零件生產(chǎn)過程中生成的分析數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)前期可以采用仿真軟件進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)過程模擬，通過計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的特殊特征部件，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)驗(yàn)證。為適應(yīng)多樣化的市場需求，數(shù)字化增材制造在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上需要進(jìn)行軟硬件配置的不斷迭代［３］，進(jìn)而重塑其制造流程組成方式與工藝流程資源配置。ＨＡＳＥＬＴＡＬＡＢ等［４］提出了一種創(chuàng)新制造流程，將傳統(tǒng)增材制造工藝改進(jìn)為云制造工藝。云制造結(jié)合了多種理論來完成前期準(zhǔn)備工作、打印過程和后處理操作。云制造不僅提供簡單增材制造服務(wù)，而且重點(diǎn)關(guān)注制造工藝以及從設(shè)計(jì)到打印整個生產(chǎn)流程中開發(fā)客戶的實(shí)際需求，并以最低制造成本獲取豐富增材制造資源［５］。

許多專家和學(xué)者［６－７］針對云制造和增材制造結(jié)合的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，涉及基于云制造流程的嵌入、連接和當(dāng)前制造資源的平臺化調(diào)度，包括資源感知、分布式資源分配、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)匹配、包容性評估、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。云制造是一個基于知識的智能平臺，可以通過在線規(guī)劃制造流程和生產(chǎn)周期以提高制造的可持續(xù)性和生產(chǎn)效率，云制造過程包括協(xié)作設(shè)計(jì)、自動化排程、過程靈活調(diào)整等。云制造逐漸成為數(shù)字化增材制造的發(fā)展趨勢，成為傳統(tǒng)制造業(yè)“智改數(shù)轉(zhuǎn)”的主要方式之一［８］。

本文首先對增材制造云平臺的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，其次對云增材制造的具體實(shí)現(xiàn)手段，即軟件體系進(jìn)行歸納，最后分析總結(jié)云增材制造的潛力和挑戰(zhàn)。

１ 增材制造云平臺

云平臺是基于硬件和軟件資源形成的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，能夠提供網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲并具備計(jì)算能力，進(jìn)而成為云端制造服務(wù)統(tǒng)籌決策工具［９］。本文重點(diǎn)闡述云平臺在增材制造過程的基本實(shí)現(xiàn)原理。

１.１ 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

增材制造設(shè)備是高度集成各功能模塊的高端制造裝備，由于數(shù)據(jù)的多源性，在搭建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，需要考慮多源傳感器的組合應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)對增材制造全流程的全面監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。圖１為增材制造“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)－云計(jì)算－云制造”全流程的數(shù)據(jù)采集與傳輸、工藝匹配和過程控制、裝備運(yùn)維與調(diào)度決策等關(guān)鍵技術(shù)流程圖，可用于支持多增材制造領(lǐng)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造質(zhì)量評價(jià)與應(yīng)用驗(yàn)證。

增材制造正處于云服務(wù)嵌入的關(guān)鍵時刻，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了增材制造裝備關(guān)鍵器件上的云技術(shù)突破。增材制造云計(jì)算分布結(jié)構(gòu)如圖２所示。增材制造裝備的振鏡、激光器、水冷機(jī)、供料系統(tǒng)等關(guān)鍵組成部分通過可編程邏輯控制器（ＰＬＣ）以ＭＯＤＢＵＳ通信協(xié)議連接至核心交換機(jī)，再傳輸至云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。

圖３為選擇性激光熔化（ＳＬＭ）增材制造工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器分布情況。多元傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器、光學(xué)傳感器等，用于監(jiān)測增材制造過程中的各種物理量和環(huán)境參數(shù)。通過將這些傳感器與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺相連，可以實(shí)現(xiàn)對增材制造設(shè)備和工藝的實(shí)時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和能耗。同時，通過對傳感器數(shù)據(jù)的采集和分析，還可以實(shí)現(xiàn)對增材制造過程的優(yōu)化和改進(jìn)，提升制造工藝的穩(wěn)定性和可控性。

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)能夠?qū)o缺陷零件的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控［１０］。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在解決先進(jìn)制造挑戰(zhàn)問題方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云制造密切相關(guān)，在涉及系統(tǒng)云制造服務(wù)驅(qū)動的制造系統(tǒng)中，很難快速響應(yīng)從執(zhí)行層次結(jié)構(gòu)中捕獲的實(shí)時動態(tài)，但云制造服務(wù)可以根據(jù)云用戶的需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而增加或減少可用資源［１１］。

制造業(yè)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括設(shè)備性能優(yōu)化和監(jiān)控，以及生產(chǎn)質(zhì)量控制和人機(jī)界面高效交互等［１２］，可以改變零件的制造、調(diào)度、分銷、服務(wù)等工業(yè)流程，進(jìn)而在行業(yè)中占據(jù)領(lǐng)先地位。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)支持定制工業(yè)服務(wù)，例如數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲和制造設(shè)備數(shù)據(jù)分析等，以促進(jìn)制造過程中達(dá)到降本增效的效果。

１.２ 云計(jì)算

將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算相融合是眾多學(xué)者正在研究的熱門方向。云計(jì)算是一種重要計(jì)算機(jī)技術(shù)模式，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與基于ＩＴ的解決方案相結(jié)合，能夠?qū)?yīng)用程序和系統(tǒng)從以產(chǎn)品為中心的基礎(chǔ)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿虻摹⒎植际降暮鸵苑?wù)為中心的先進(jìn)模式。云計(jì)算具有一系列信息數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算功能，包括受控接口、位置獨(dú)立性、來源獨(dú)立性、虛擬訪問、可追溯性和快速彈性等［１３］。各功能的協(xié)調(diào)運(yùn)行實(shí)際對應(yīng)按需共享池和可配置計(jì)算資源的相應(yīng)組合。

增材制造中涉及由自動化系統(tǒng)執(zhí)行的大量前置與后置工序，執(zhí)行中發(fā)生異常情況必然會導(dǎo)致時間和資源的浪費(fèi)，因而需要基于云計(jì)算監(jiān)控進(jìn)行實(shí)時預(yù)警，提醒現(xiàn)場人員實(shí)時調(diào)整以減少資源浪費(fèi)，并動態(tài)調(diào)整異常流程，從而減輕甚至消除流程異常相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。Ｄ′ＯＲＡＺＩＯ等［１４］介紹了一種與新數(shù)據(jù)管理架構(gòu)一致、可擴(kuò)展且高效的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，這為云計(jì)算開發(fā)提供了重要支持。云數(shù)據(jù)管理包括云平臺、查詢語言、執(zhí)行環(huán)境、存儲和基礎(chǔ)設(shè)施等，并在分層架構(gòu)中進(jìn)行監(jiān)控。云計(jì)算正在改變制造流程和業(yè)務(wù)范圍，并具有動態(tài)調(diào)整能力，基于工藝的相關(guān)模型只需掌握增材制造工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，便可通過機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)最終工藝參數(shù)的選取，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。為了實(shí)現(xiàn)零件的無缺陷成形目標(biāo)，需要不斷發(fā)展聲、光、熱信號的在線監(jiān)測技術(shù)。陳香媛等［１５］通過采集光電探測器與高速相機(jī)數(shù)據(jù)，建立不同鋪粉厚度條件下沉積缺陷與在線監(jiān)測信號之間的關(guān)聯(lián)模型，研發(fā)了一種快速有效的診斷技術(shù)。涂旺等［１６］通過高精度金屬增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)制造了２組不同類型的缺陷試件，研究了顯微ＣＴ對增材制造小缺陷的實(shí)際檢測能力。此外，裝備穩(wěn)定性會影響零件成品率，在增材制造裝備在線監(jiān)測方面，南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司自主研發(fā)了ＲＣ-Ａｒｇｕｓ裝備安全健康管理系統(tǒng)，通過搭建多類別傳感器網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了增材制造裝備的在線診斷和預(yù)測。

作為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，云計(jì)算已經(jīng)成為工業(yè)４.０和智能制造的重要支柱之一，并逐步向云制造模式發(fā)展［１７］。這一過程實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)制造過程前期、中期和后期數(shù)據(jù)的快速實(shí)時計(jì)算，從而優(yōu)化增材制造流程。

１.３ 云制造

云制造是一種迅速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)制造模式，其特點(diǎn)包括面向服務(wù)、分布式形式、支持制造建模等，并支持從基于生產(chǎn)的制造過程向基于服務(wù)的制造流程進(jìn)行轉(zhuǎn)變［１８］。云制造模式完全適用于增材制造技術(shù)。云制造是云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的集成結(jié)構(gòu)，能夠提供虛擬化制造資源，并呈現(xiàn)出服務(wù)化趨勢。云制造的重要功能包括整體制造趨勢規(guī)劃、自動化控制系統(tǒng)建立、資源組合靈活調(diào)度、業(yè)務(wù)模型建模分析、數(shù)據(jù)兼容性管理、裝備運(yùn)行高效協(xié)作等。云制造不僅采用了云計(jì)算理念，還對其進(jìn)行了延伸，將制造流程轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥騼?yōu)化資源優(yōu)勢的組件化、集成化制造過程。

云制造通過動態(tài)管理和資源調(diào)度能夠記錄材料特性并處理制造過程中生成的數(shù)據(jù)，主要包括日志數(shù)據(jù)和診斷傳感器數(shù)據(jù)［１９］。當(dāng)前增材制造環(huán)境仍然需要人工參與，但基于云制造的增材制造最終會實(shí)現(xiàn)無人制造，進(jìn)而突破傳統(tǒng)制造業(yè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)中參與人數(shù)眾多的瓶頸。此外，流程驅(qū)動制造平臺需要為自零件設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)的各個階段提供云制造支持。ＦＩＥＬＴ等［２０］闡述了云服務(wù)在制造領(lǐng)域的突出能力。為了支持兩種類型的云用戶（客戶和企業(yè)用戶），研究人員開發(fā)了一種新的數(shù)據(jù)模型來描述云服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)方法。除了資源共享和成本效率外，云服務(wù)可為制造業(yè)帶來一些其他優(yōu)勢，例如生產(chǎn)直接性和生產(chǎn)可擴(kuò)展性［２１］。智能云制造是基于互聯(lián)網(wǎng)、５Ｇ、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的云制造模式。智能云制造的所有服務(wù)均通過智能方式控制，可為客戶提供及時需求響應(yīng)服務(wù)。

考慮到制造能力與云服務(wù)的相關(guān)制造成本，云制造的典型特征之一為按需制造。云制造資源包括硬件和軟件資源、人力和知識資源、制造資源等。云制造成本涵蓋了整個云制造周期和云服務(wù)的成本，具體包括運(yùn)營成本、咨詢成本、市場分析成本、業(yè)務(wù)外包成本、采購成本、物流運(yùn)輸成本、裝卸成本、稅收成本、產(chǎn)品和服務(wù)檢驗(yàn)成本等［２２］。

云制造的主要優(yōu)勢與制造能力息息相關(guān)，包括服務(wù)建模、管理與供需平衡評估等方面，這些功能在數(shù)據(jù)管理和可再生能源集成領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。通過調(diào)整功能組合，可以開發(fā)出適用于實(shí)際應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展的云結(jié)構(gòu)。云制造能夠?yàn)樯a(chǎn)實(shí)際問題提供多種解決方案，旨在克服阻礙可持續(xù)制造發(fā)展的各種障礙。圖４為增材制造中的云制造流程。增材制造的云制造具有兩種主要特征數(shù)據(jù)：知識數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，從制造任務(wù)到制造工藝再到分配制造裝備，利用知識數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)計(jì)算整個制造任務(wù)的資源集合情況和制造成本，以分析出最優(yōu)制造路線。然而，兩種數(shù)據(jù)在整個供應(yīng)鏈中的收集、存儲和共享同樣面臨挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)積累、數(shù)據(jù)集成與云數(shù)據(jù)流都需要精心處理，且數(shù)據(jù)共享需要解決共享哪些數(shù)據(jù)、共享多少數(shù)據(jù)以及與誰共享數(shù)據(jù)的問題［２３］。

云制造作為一個結(jié)構(gòu)性概念，可以實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)過程中各種制造資源的自由運(yùn)行、傳遞和全面共享并及時響應(yīng)相應(yīng)需求。云制造技術(shù)［２４］集成了機(jī)器對機(jī)器（Ｍ２Ｍ）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的相關(guān)技術(shù)，以加速通信和數(shù)據(jù)流處理。通過大數(shù)據(jù)評估分析增材制造流程，進(jìn)一步促進(jìn)供應(yīng)鏈的調(diào)整與發(fā)展［２５－２６］。Ｍ２Ｍ技術(shù)促進(jìn)了增材制造裝備之間的通信和信息交換。在最初階段云用戶和客戶之間可能會存在一定程度的數(shù)據(jù)共享，隨著合作關(guān)系的深入，數(shù)據(jù)共享范圍可能會擴(kuò)大，進(jìn)而增加信任維度。云計(jì)算－云制造的主要目標(biāo)是提供可靠性高、可擴(kuò)展且可用的計(jì)算服務(wù)，同時在分布式工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不間斷工作，因而生產(chǎn)裝備需要具備自動化過程控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、工藝優(yōu)化、自適應(yīng)調(diào)度決策、全面態(tài)勢評估等功能，從而支持云技術(shù)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和云制造等新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施極大推動了工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字孿生與增材制造作為新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)的代表，二者的融合發(fā)展成為了當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，同時也取得了許多進(jìn)展，進(jìn)而提高了整個增材制造過程的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

在過程監(jiān)控方面，ＹＡＶＡＲＩ等［２７］提出了一種物理信息融合方法用于激光粉末床熔融（ＬＰＢＦ）工藝組件的在線監(jiān)測與故障檢測，通過將生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測到的熔池溫度數(shù)據(jù)與基于圖論的熱模擬模型相結(jié)合，預(yù)測組件的未來溫度分布，進(jìn)而快速挖掘工藝過程問題。ＬＩＵ等［２８］提出了一種獨(dú)特的基于數(shù)字孿生的金屬增材制造系統(tǒng)協(xié)同數(shù)據(jù)管理架構(gòu)，通過結(jié)合云計(jì)算與數(shù)字孿生技術(shù)，在產(chǎn)品全生命周期的不同階段與分散的邊緣數(shù)字孿生體相連接，利用云計(jì)算優(yōu)化過程監(jiān)控，簡化了數(shù)據(jù)處理分析流程，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)可視化能力，從而實(shí)現(xiàn)制造過程的有效監(jiān)控和分析。

預(yù)測分析內(nèi)容包括數(shù)值預(yù)測、成本預(yù)測和性能預(yù)測。數(shù)值預(yù)測一般基于數(shù)字孿生框架開發(fā)瞬態(tài)３Ｄ模型，用于計(jì)算溫度場、冷卻速率、凝固參數(shù)和沉積幾何形狀參數(shù)等［２９］。成本預(yù)測以優(yōu)化數(shù)字孿生模型的方式減少產(chǎn)品性能的試錯測試次數(shù)，并縮短零件確認(rèn)時間，一般用于優(yōu)化時間利用率，確保流程高效進(jìn)行的同時降低成本消耗［３０］。性能預(yù)測以建立數(shù)字孿生模型評估性能ＫＰＩ為主要實(shí)現(xiàn)方式，可在每個工藝步驟中進(jìn)行預(yù)測評估，以反映增材制造零件相關(guān)性能［３１］。

所謂參數(shù)策略優(yōu)化是指利用數(shù)字孿生預(yù)測增材制造過程中的未來狀態(tài)，以調(diào)整激光功率、掃描速度等基本過程參數(shù)。ＥＩＳＥＮＢＡＲＴＨ等［３２］提出了一種能夠分析零件質(zhì)量、估計(jì)局部幾何參數(shù)并相應(yīng)調(diào)整激光功率的新方法，建立了幾何因素與激光功率之間的聯(lián)系，利用數(shù)字孿生的可視化預(yù)測能力提高額外調(diào)優(yōu)起點(diǎn)并調(diào)整參數(shù)策略，直到組件達(dá)到所需性能指標(biāo)要求。

在增材制造領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和云制造的結(jié)合將推動制造業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)更高效、更靈活的生產(chǎn)模式。通過對相應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)的深入理解和合理應(yīng)用，增材制造可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和升級，從而提升競爭力和市場地位。

２ 基于云平臺的數(shù)字化增材制造軟件體系

增材制造云平臺的本質(zhì)是數(shù)字化全流程管理，各類相應(yīng)工業(yè)軟件應(yīng)運(yùn)而生。德國易歐司光電技術(shù)有限公司（ＥＯＳ）開發(fā)了框架型軟件系統(tǒng)，包括企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ＥＲＰ），以及分層切片與路徑規(guī)劃、工藝仿真、生產(chǎn)管理、過程實(shí)時監(jiān)控等子系統(tǒng)。圖５為德國ＥＯＳ公司云平臺軟件體系與工作流程。該體系建立了完備的增材制造全流程可追溯云平臺，記錄了零件從訂單、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到入庫的全部信息，真正落實(shí)了增材制造全流程數(shù)字化。

美國增材制造巨頭通用電氣公司（ＧＥ）將軟件系統(tǒng)放到同一個增材制造平臺（ＡＭＰ）中，該平臺功能強(qiáng)大，是ＧＥ專門為增材制造而設(shè)計(jì)的數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)，包括多個關(guān)鍵子系統(tǒng)：企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ＥＲＰ）系統(tǒng)用于訂單管理和生產(chǎn)計(jì)劃；制造執(zhí)行系統(tǒng)（ＭＥＳ）用于實(shí)時監(jiān)控和生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理；質(zhì)量管理系統(tǒng)（ＱＭＳ）用于質(zhì)量管理和過程控制；企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（ＥＡＭ）用于設(shè)備管理和維護(hù)。此外，ＡＭＰ平臺還具備與ＥＯＳ類似的分層切片與路徑規(guī)劃、工藝仿真等功能。圖６為ＡＭＰ的功能模塊及整個軟件平臺的工作流程圖。ＡＭＰ實(shí)現(xiàn)了整個增材制造流程的數(shù)字化管理和全程追溯，提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制水平。

南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司開發(fā)了ＲＣ-Ｓｔａｎｄａｒｄ增材制造軟件體系，該軟件體系包括分層切片與路徑規(guī)劃、工藝仿真、生產(chǎn)管理、過程實(shí)時監(jiān)控等子系統(tǒng)［３３－３４］。其中，分層切片與路徑規(guī)劃子系統(tǒng)能夠根據(jù)零件幾何結(jié)構(gòu)和工藝要求生成適合增材制造的切片數(shù)據(jù)和路徑規(guī)劃信息；工藝仿真子系統(tǒng)可對零件的制造過程進(jìn)行虛擬仿真，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)和工藝流程；生產(chǎn)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)訂單的管理和調(diào)度，進(jìn)而保障生產(chǎn)計(jì)劃的順利執(zhí)行；過程實(shí)時監(jiān)控子系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測制造過程中的關(guān)鍵參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況［３５－３６］。ＲＣ-Ｓｔａｎｄａｒｄ增材制造軟件體系為國內(nèi)增材制造行業(yè)提供了一套完整的數(shù)字化解決方案，有助于提高增材制造的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。圖７、８分別為南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司針對激光定向能量沉積（ＤＥＤ）、激光選區(qū)熔化（ＳＬＭ）兩種增材制造工藝提出的軟件平臺體系架構(gòu)。軟件平臺的建立使得增材制造全流程獲得大幅度優(yōu)化，提高實(shí)際生產(chǎn)效率的同時降低了實(shí)際生產(chǎn)成本。

從各個增材制造設(shè)備廠商的軟件體系來看，面向增材制造的數(shù)字化云平臺軟件體系呈現(xiàn)出多樣化和特色鮮明的發(fā)展趨勢。德國ＥＯＳ、美國ＧＥ以及南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司等增材制造設(shè)備廠商均致力于構(gòu)建完備的數(shù)字化云平臺軟件體系，實(shí)現(xiàn)增材制造全流程的數(shù)字化管理和全程追溯。在這些軟件體系中，分層切片與路徑規(guī)劃、工藝仿真、生產(chǎn)管理、過程實(shí)時監(jiān)控等子系統(tǒng)均發(fā)揮著重要作用。

３ 云增材制造的挑戰(zhàn)和潛力

增材制造為云服務(wù)的實(shí)施帶來了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。云服務(wù)的實(shí)施特定于專有流程，使得整個制造業(yè)務(wù)容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。鑒于此，本節(jié)重點(diǎn)介紹云服務(wù)的優(yōu)勢以及特定于增材制造工藝的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

３.１ 云增材制造挑戰(zhàn)

云制造主要為中小企業(yè)任務(wù)管理提供服務(wù)支持，涉及虛擬制造系統(tǒng)和智能匹配引擎的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)需求和供給之間的平衡。云制造下一步發(fā)展趨勢是控制服務(wù)資源，使得用戶將項(xiàng)目匹配、自動業(yè)務(wù)管理等一系列復(fù)雜流程提交到增材制造服務(wù)端進(jìn)行處理，從而更好地實(shí)現(xiàn)增材制造各部門間的協(xié)作［３７］。

云制造概念的前沿必然存在一些挑戰(zhàn)，先進(jìn)制造技術(shù)越來越接近網(wǎng)絡(luò)化，經(jīng)常面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊以及隨之而來的安全威脅。數(shù)字世界為金融和工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)攻擊打開了大門，若不了解網(wǎng)絡(luò)攻擊特點(diǎn)，在遭受攻擊時則無法有效診斷原因，進(jìn)而會導(dǎo)致大規(guī)模工藝資料丟失或引發(fā)其他損失。了解增材制造現(xiàn)有的弱點(diǎn)并建立安全保護(hù)機(jī)制是預(yù)防、檢測和減輕網(wǎng)絡(luò)攻擊的首要任務(wù)。具體而言，先進(jìn)制造業(yè)中的大多數(shù)漏洞與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制和制造網(wǎng)絡(luò)安全息息相關(guān)。為了消除這一隱患，增材制造廠商需要評估物聯(lián)網(wǎng)、云平臺和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全性。在增材制造產(chǎn)品和服務(wù)的復(fù)雜性和需求性顯著增加的趨勢下，增材制造廠商需要在全球市場中進(jìn)行競爭，并在不同環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)營，因此面向云服務(wù)的挑戰(zhàn)隨之增加。經(jīng)濟(jì)全球化、日益復(fù)雜的信息技術(shù)和能源消耗導(dǎo)致的環(huán)保需求促使企業(yè)轉(zhuǎn)向云服務(wù)應(yīng)用的同時也面臨著由其引發(fā)的很多挑戰(zhàn)［３８］。

３.２ 云增材制造潛力

云制造技術(shù)部署的分層架構(gòu)具有成本低、靈活度高、時延性低等特點(diǎn)，同時得益于靈活資源和共享服務(wù)、并行處理和廣泛訪問等優(yōu)勢，增材制造可在云平臺上大規(guī)模部署應(yīng)用［２６］。云制造實(shí)施的關(guān)鍵因素之一是實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測和裝備數(shù)據(jù)源訪問，相關(guān)技術(shù)突破有望令當(dāng)今先進(jìn)制造業(yè)呈現(xiàn)出高度互聯(lián)、協(xié)作的特征。

基于物聯(lián)網(wǎng)的云增材制造作為完全托管的服務(wù)，能夠提供完整的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，物聯(lián)網(wǎng)通過優(yōu)化解決方案、預(yù)測性維護(hù)分析和質(zhì)量監(jiān)控為工業(yè)制造系統(tǒng)帶來良好的工業(yè)價(jià)值，同時也為客戶提供更安全的連接和環(huán)境來管理工業(yè)數(shù)據(jù)和受保護(hù)的設(shè)備。由于物聯(lián)網(wǎng)具有附加價(jià)值，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠同時為數(shù)百臺增材制造設(shè)備提供服務(wù)支持，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)品的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

４ 結(jié)束語

目前數(shù)字化增材制造不斷發(fā)展，無論是在金屬和非金屬增材制造領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用前景。

數(shù)字化增材制造具有高效率、高可靠、低成本等優(yōu)勢。本文從云計(jì)算、云制造和云平臺３個方面對數(shù)字化增材制造進(jìn)行系統(tǒng)論述。通過對云計(jì)算、云制造和云平臺的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)了數(shù)字化增材制造的發(fā)展趨勢，主要內(nèi)容為：

１）開發(fā)多源數(shù)據(jù)云計(jì)算模型，進(jìn)一步探究增材制造“工藝－特征－裝備”的內(nèi)在聯(lián)系，闡明增材制造過程的機(jī)理與各模塊之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出有效的優(yōu)化策略和方法。

２）開發(fā)高效率、高可靠的云制造框架，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸延時，提高數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性，優(yōu)化云邊端協(xié)同框架。

３）開發(fā)全面完備的增材制造云平臺，實(shí)現(xiàn)增材制造全流程的數(shù)字化管理和全程追溯，提出各子系統(tǒng)協(xié)同工作的優(yōu)化算法，致力于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)增材制造的降本增效目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

特邀專家 邢飛，沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，博士生導(dǎo)師，二級教授。南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司創(chuàng)始人、董事長、總經(jīng)理。中央組織部第二批“萬人計(jì)劃”入選者、科技部“領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計(jì)劃”入選者、江蘇省“五四青年”獎?wù)芦@得者、江蘇省優(yōu)秀科技工作者、江蘇省３３３類人才Ｂ類人才、江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才、遼寧省攀登學(xué)者。中國激光加工學(xué)會學(xué)術(shù)委員會委員、中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長，曾任工信部增材制造領(lǐng)域?qū)＜摇⒖萍疾俊埃福叮秤?jì)劃”新材料領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目評審專家、“十三五”增材制造與激光制造重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃評審組組長。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（２０２２ＹＦＢ４６０２２００）。