為什么要將數(shù)字孿生集成到3D打印中

南極熊導讀：你是否聽說過數(shù)字孿生（Digital Twin）？這一概念最早在20世紀60年代提出，初衷是為了創(chuàng)建阿波羅任務的動態(tài)模型，以便通過包含數(shù)字組件的航天器物理模型來評估可能的故障情況。自那時以來，這一概念不斷演進，但核心思想保持不變。

本質(zhì)上，數(shù)字孿生是一種虛擬模型，旨在精確反映物理對象的狀態(tài)。根據(jù)IBM的定義，數(shù)字孿生是“對象或系統(tǒng)的虛擬表示，它涵蓋其整個生命周期，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行更新，同時利用模擬、機器學習和推理來支持決策過程。”雖然數(shù)字孿生常被與建�；煜�，但它遠不止于此。數(shù)字孿生中使用的算法和數(shù)學運算使用戶能夠預測零件的行為，特別是在使用3D打印技術(shù)制造的零件時尤為重要。

目前，數(shù)字孿生已經(jīng)在從制造業(yè)到醫(yī)療業(yè)，甚至室內(nèi)設計等各個領域找到了應用場景。此外，它們在增材制造中的應用也日益增加。根據(jù)Markets and Markets的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生市場在2022年的估值為69億美元（約492億人民幣），預計到2027年將增長至約735億美元（約合5246億人民幣）。這一發(fā)展趨勢屬實令人驚訝。那么，在3D打印中使用數(shù)字孿生的具體好處是什么？在應用之前需要了解哪些信息？南極熊對此進行了詳細研究。

△未來，數(shù)字孿生將在3D打印中的應用日益廣泛，尤其是對于渦輪機等部件

在3D打印中使用數(shù)字孿生

數(shù)字孿生和增材制造被廣泛認為在工業(yè)4.0中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，直到最近幾年，這兩者才開始結(jié)合起來。值得注意的是，許多研究表明，3D打印與數(shù)字孿生的結(jié)合非常契合。這是因為增材制造本質(zhì)上就是一種數(shù)字化過程。從在線設計到切片軟件，再到監(jiān)控整個打印過程的程序，自動化和人工智能已經(jīng)在增材制造中找到了重要的應用。數(shù)字孿生則是可以進一步增強這一過程的工具。

那么，如何有效地將數(shù)字孿生應用于3D打印呢？首先，我們需要考慮將數(shù)字孿生集成到3D打印中的具體流程。如前所述，數(shù)字孿生的基礎是3D模型，這可以通過計算機輔助設計（CAD）軟件或生成設計軟件來創(chuàng)建。此外，3D掃描技術(shù)的應用也越來越普及，因為它能夠生成相關(guān)部件的精確模型。除了初始設計之外，目前市場上已有多款專門為數(shù)字孿生（包括3D打印）設計的軟件程序，例如西門子、Simio或Netfabb。這些軟件簡化了數(shù)字孿生的集成過程，從而推動了增材制造的廣泛應用。更重要的是，由于數(shù)字孿生能夠真實重建產(chǎn)品，它在備件逆向工程等應用場景中的潛力也顯而易見。

△數(shù)字孿生與3D打印技術(shù)對于工業(yè)發(fā)展密不可分

最后，值得注意的是，數(shù)字孿生有多種不同形式，這一點也需特別考慮。根據(jù)報告顯示，數(shù)字孿生可分為四類，適用于增材制造：過程數(shù)字孿生、設備數(shù)字孿生、設施數(shù)字孿生和產(chǎn)品數(shù)字孿生。顧名思義，這些類別針對制造過程中的不同領域。過程數(shù)字孿生用于復制3D打印過程的數(shù)字版本，以支持設計、生產(chǎn)和維護。同樣，設備數(shù)字孿生能夠復制打印機，為維護工作提供重要信息。設施數(shù)字孿生則是前兩者的結(jié)合，涵蓋整個工廠車間的規(guī)模。最后，產(chǎn)品數(shù)字孿生是針對產(chǎn)品和零件的虛擬表示，可以進行優(yōu)化、測試、設計和分析，以預測其性能。

△數(shù)字孿生如何與3D打印配合使用的示例

為什么要將數(shù)字孿生集成到3D打印技術(shù)中

數(shù)字孿生與3D打印的結(jié)合也帶來了許多好處，特別是在零件質(zhì)量控制方面。盡管3D打印已經(jīng)從最初的快速成型技術(shù)發(fā)生了很大變化，但隨著越來越多的最終用途零件進入市場，質(zhì)量控制仍然是一個問題。實際上，由于其本質(zhì)，3D打印通常需要進行大量測試以確保正確的參數(shù)，以防止打印失敗。但這與該技術(shù)的兩個最大優(yōu)勢（即成本和材料減少）形成了鮮明對比。

幸運的是，數(shù)字孿生可以有效解決這一問題。數(shù)字孿生允許用戶通過反饋產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流直接評估參數(shù)，這反過來又允許優(yōu)化這些參數(shù)而無需進行物理測試。此外，使用數(shù)字孿生，可以實時監(jiān)控整個3D打印過程，從而提高最終打印的準確性。這使得3D打印的質(zhì)量控制更加可靠，尤其是在更工業(yè)化的流程中，包括通過激光粉末床工藝等方法進行的金屬3D打印，因為它也可以提高一致性。

此外，如上所述，數(shù)字孿生不僅適用于單個部件。事實上，它們可以用于整個工廠車間。這將使工業(yè)化的增材制造變得尤為可行，因為3D打印機“農(nóng)場”不僅可以在個體層面進行優(yōu)化，還可以在整個車間進行優(yōu)化，以實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)。

盡管如此，但在實際應用中仍然會遇到一些困難和問題。數(shù)字孿生的實際定義和開發(fā)仍然相當困難，尤其是因為這個框架本身尚不為人熟知。然而，數(shù)字孿生與3D打印結(jié)合的速度越快，克服這些障礙的過程也會越快。而且這種情況已經(jīng)在更大范圍內(nèi)發(fā)生，特別是隨著人工智能和更復雜的機器學習工具的使用增加。我們期待看到數(shù)字孿生和3D打印在未來如何進一步結(jié)合以及其發(fā)展的新動態(tài)。