关于3D 打印中的数字孪生：你需要了解的一切

您听说过数字孪生吗？这个想法最初是在 20 世纪 60 年代提出的，旨在创建阿波罗任务的动态模型，以便通过带有数字组件的车辆物理模型来帮助评估其失败情况。从那时起，这个概念不断发展，但其核心保持不变，这是可以理解的。从本质上讲，数字孪生是专门为准确反映物理对象而设计的虚拟模型。不仅如此，根据 IBM 的说法，数字孪生可以被视为“一个物体或系统的虚拟对象，能够跨越其生命周期，根据实时数据进行更新，并使用模拟、机器学习和推理来帮助决策”。尽管数字孪生经常与建模相混淆，但数字孪生的用途远不止于此。在数字孪生中使用算法和数学运算是让用户预测零件（例如使用 3D 打印制造的零件）行为的重要组成部分。

现如今，数字孪生在从制造到医疗甚至室内设计的各种应用中找到了自己的位置。此外，它们越来越多地用于增材制造。此外，根据 Markets and Markets 的调研数据，数字孪生2022 年的市场价值预计达到69亿美元，到 2027 年将增长至约 735亿美元，这一事实也许并不令人意外。为了搞清楚为什么要在 3D 打印中使用数字孪生，需要首先对该技术有一个详细的了解。

△数字孪生越来越多地被用作工业 4.0 的一部分（图片来源：GE）

在 3D 打印中使用数字孪生

数字孪生和增材制造都被认为在工业 4.0中发挥着关键作用。然而，直到最近几年，两者才开始结合起来。但值得注意的是，许多不同的研究发现 3D 打印总体上非常适合数字孪生的使用。为什么？因为就其本质而言，增材制造是数字化的。从在线设计到切片软件，再到监控整个打印过程的程序，自动化和人工智能已经在增材制造中找到了归宿。数字孪生只是另一个需要添加的工具。

但你如何使用它们呢？我们首先要考虑一下在 3D 打印中集成数字孪生的过程。如前所述，数字孪生从 3D 模型开始。这可以通过CAD或生成设计软件来完成。此外，3D 扫描也越来越多地被使用，因为它可以创建相关零件的完美模型。除了最初的设计之外，市场上已经有许多专门设计用于数字孪生（包括 3D 打印）的软件程序。以西门子、Simio 或 Netfabb 的产品为例。这简化了集成，从而进一步推广了在增材制造中的普遍使用。更不用说，由于它能够真正重新创建产品，因此很容易看出它如何用于备件逆向工程等应用。

最后，数字孪生可以被分为几种不同的形式，因此也必须予以考虑。根据一份报告，增材制造的数字孪生可分为四类：

• 处理数字孪生；
• 设备数字孪生；
• 设施数字孪生；
• 产品数字孪生。
  

顾名思义，它们针对制造过程中的不同领域。流程数字孪生可用于复制 3D 打印流程的数字版本，以进行设计、生产和维护。同样，设备数字孪生可以复制打印机，为维护工作提供重要信息。设施数字孪生是前两者的混合，但规模更大，考虑到整个工厂车间。最后一点但并非最不重要的一点，也是我们将在本期文章中需要讨论的最重要的内容，

△数字孪生如何与 3D 打印配合使用的图示（照片来源：Zhang、Li、Xiaoqi Chen、WeiZhou、Taobo Cheng、Lijia Chen、ZhenGuo、Bing Han 和Longxing Lu）

为什么将数字孪生集成到增材制造中？

数字孪生与 3D 打印的结合也有很多好处。尤其是在零件质量控制方面。尽管增材制造与快速原型制造的起源相比已经发生了很大变化，随着越来越多的最终用途零件进入市场，质量控制仍然是一个问题。事实上，由于其本质，增材制造通常需要进行大量测试，以确保参数正确，从而防止打印失败。但这与增材制造的两个最大优势，即成本和减少材料浪费却背道而驰。

值得庆幸的是，通过使用数字孪生，这个问题可以得到解决。由于反馈带来的持续数据流，数字孪生允许用户直接评估参数。这又允许优化所述参数而无需物理测试。此外，借助数字孪生，可以在整个 3D 打印过程中进行实时监控，从而提高最终打印的准确性。这使得增材制造的质量控制更加可靠。当涉及更多工业流程时，这一点尤其重要，包括通过激光粉末床工艺等方法进行金属增材制造，因为它还可以提高一致性。

此外，如上所述，数字孪生不仅仅用于单个零件。事实上，它们可以为整个工厂车间制造。这将使增材制造的工业化变得更加可行，因为 3D 打印机农场不仅可以在个体层面上进行优化，而且可以在整体层面上进行优化，以实现更有效的生产。

这并不是说仍然存在挑战。数字孪生的实际定义和开发仍然相当困难，尤其是因为许多学者已经注意到该框架本身还没有得到很好的理解。然而，数字孪生和 3D 打印结合使用得越多，克服这一障碍的速度就越快。这种情况已然不是个例，特别是随着人工智能和更复杂的机器学习工具的使用增加。南极熊详细，随着数字孪生和 3D 打印技术的结合不断深入，未来我们一定会看到更有趣的变化。

△我们可能会看到数字孪生在 3D 打印中的应用不断增加，尤其是涡轮机等零件（照片来源：柯尼卡美能达）