洞察|为什么集成的数字线程对制造企业至关重要

06.01.2023

制造产品生命周期的每个阶段都涉及数据,从最初的设计和建模到生产,再到验证测试和检查、使用、监控和服务。在前数字时代,与每个阶段相关的数据都是单独管理的,彼此隔离。

如今,将这些数据整合在一起对于制造商的长期竞争力发挥着至关重要的作用,尤其是那些部署增材制造 (AM) 的制造商,因为它是最本质的数字化流程之一。

在本文中,我们将探讨:

- 增材制造中的数字线程是什么
- 它提供什么价值
- 涉及哪些技术以及带来哪些挑战

什么是数字线程?

从概念上讲,数字线程是与制造产品相关的所有数据的集成存储库,涵盖该产品整个生命周期的端到端。

虽然传统制造系统将每个步骤视为可能相互连接或不相互连接的离散操作,但数字线程使制造商能够了解每个步骤的所有数据,并将其反馈或转发以获得新的见解,增强操作,并管理增材制造的复杂性。

数字线程阶段

数字线程集成了四个主要阶段的数据:
1. 设计

数字线程始于设计阶段,首先设想要制造的特定零件,然后设计师的概念使用 CAD 工具变成 3D 模型。设计人员还可以使用 3D 扫描从现有零件的模型开始。

然后对模型进行有限元分析 (FEA) 以确定其结构和热特性,或进行计算流体动力学 (CFD) 分析以检查流体流动。反馈循环有助于确保模型满足特定的性能要求。在增材制造工作流程中,此阶段还涉及算法驱动的设计技术,这些技术可以创建通过传统减材方式无法制造的形状。

AM 零件还可能需要进行高级建模和构建过程模拟,以优化零件方向、支撑和其他因素,以确保 3D 打印的高质量结果。

2. 构建

根据第一阶段学到的所有知识,零件的 3D 模型将转换为 3D 打印机的输出指令。

许多软件工具使用 .STL 文件格式,该格式最初是为立体光刻打印而开发的。然而,使用隐式建模将复杂模型转换为 STL 格式会增加数据完整性风险,并导致文件大小非常大,这需要过多的计算能力才能在 AM 构建准备工具中进行操作。

包括 3DXpert 在内的现代工具可直接从 CAD 文件执行构建准备,无需进行转换或文件转换。

接下来是 3D 打印,用于制造零件。除了机器指令之外,还可能会根据对来自打印机的实时传感器数据的监控而采取警报和操作。最后,完成后处理或精加工步骤,包括去除支撑结构、固化、热处理、机械加工或表面处理。

3. 测试和验证

此阶段包括零件检查,通常通过 X 射线、CT 扫描、液体渗透剂或 UV 染料以及超声波等无损评估 (NDE) 技术进行。它还包括数据验证和“数字孪生”,收集迄今为止在数字线程中生成的所有数据,包括有关构建过程、验证测试和检查结果以及更新的 CAD 模型的信息。

在航空航天和国防、医疗设备和能源等受到严格监管的行业中,将需要所有这些数据来满足可追溯性要求和行业标准质量要求。此类行业还需要遵守安全认证,以证明信息受到行业标准最佳实践的保护。

4. 交付

最后阶段发生在零件投入使用时。这可能包括现场服务传感和检查,使用传感器数据不断更新数字孪生并获得可改进下一代零件或产品的见解。

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(Manufacturing OS 完成的全数字线程)

数字线程的目的和价值是什么?

数字线程的基本价值是在制造零件的整个生命周期中端到端地查看与制造零件相关的所有数据的可见性。制造商需要充分了解此信息的原因有很多。

- 可见性可以追踪与零件相关的所有数据。
- 它使工作流程自动化成为可能,从而提高了机器和劳动力的利用率。
- 可见性对于实现增材制造的可重复性至关重要。数字线程捕获制造零件的整个生产路线,不跳过任何步骤,每个步骤都使用最新版本的标准操作程序 (SOP)。
- 访问数据有助于提高生产力。例如,您可以减少 3D 数据准备和打印优化所需的时间,因为您可以从一个增材制造零件中学习并将其应用于未来的所有相同零件。您可以通过在构建作业中智能嵌套零件来提高 3D 打印机的吞吐量,或者通过智能调度避免机器停机。
- 此外,它还有助于质量控制,因为制造商可以更轻松地访问实时信息,从而有助于在潜在问题影响流程之前识别它们。它还将测试、检查和持续维护纳入其中,因此这些流程使用与设计和构建阶段完全相同的数据,从而提高了准确性。
- 可视性使您能够分析生命周期任何部分的数据并获得见解,从而改进其他阶段并更有效地交付更高质量的产品。

所有这些价值要素相结合,可以提高制造过程的可扩展性,并最终降低成本和缩短交货时间。

是什么让数字线程成为可能?

数字线程有两个关键推动因素。一种是基于模型的方法,用于描述增材制造流程中的每个步骤以及这些流程和系统之间的关系。另一个是互操作性,它以这样的方式连接系统,使得数字线程中的数据在工作流程的任何阶段都可以访问、可读和使用。这使得数据可以在各种产品模型和流程之间自由流动,无论格式如何。

除了这些支持概念之外,数字线程还依赖于几种特定技术:

云计算
云使制造商能够即时、高度可扩展地访问在设计阶段分析 3D 模型、在构建阶段准备复杂的构建文件以及从数字线程中提取见解所需的计算能力。同样,云存储可以以灵活的方式管理非常大的数据量,使所有利益相关者都可以安全地访问这些数据。

物联网
由传感器和设备组成的互联生态系统共享有关零件如何打印及其在服务中如何执行的数据,称为物联网 (IoT)。实时传感器数据可实现更高效的零件制造,并为制造商提供了了解长期性能、疲劳和故障率以及维护需求的窗口。

数字孪生
这是指物理制造操作的数字模型,包括数字线程中的所有零件、产品、流程和传感器数据。数字孪生有助于确保所有增材制造利益相关者拥有单一事实来源,并允许他们分析当前和历史数据以及运行准确的模拟,以更好地理解和优化所有四个阶段。

数字线程的挑战和局限性

应该清楚的是,实施增材制造数字线程是一项复杂而复杂的工作。总体而言,制造商将面临三个主要挑战。

1. 技术
数字线程需要强大的计算能力和数据存储容量来运行建模、仿真和其他用于优化增材制造流程的软件。复杂的供应链将推动对强大数据仓库的需求。为了解决这些问题,制造商可能会转向提供巨大灵活性和可扩展性的基于云的解决方案。

2. 流程
改变产品生命周期每个阶段与其他阶段的联系方式可能会造成破坏。设计和开发必须做好密切合作的准备,以分析和优化增材制造设计和打印。结合先进的建模和仿真工具可能会影响完善的设计流程的执行方式。制造商可能需要考虑专门设计的制造操作系统,以适应复杂的增材制造工作流程,包括不同的机器和应用程序。

3. 人
随着增材制造的不断发展和新技术的出现,劳动力发展和培训将需要成为关键优先事项。成功在很大程度上取决于一支愿意不断学习​​和适应变化的员工队伍。选择既支持数字线程又相对易于配置和使用的软件非常重要。

探索数字线程的潜力

虽然一些制造商目前主要在设计过程中使用增材技术进行快速原型制作,但数字线程使他们能够将增材制造工作流程扩展到工业水平。

组织可以设计更高质量和更有效的零件,提高效率,更轻松地协作,并更具战略性地思考增材制造如何为他们的业务提供长期服务——这一切都归功于数字线程。

Oqton 的制造操作系统在整个制造过程中创建了一条数字线程。了解我们如何使用我们的增材制造 MES 解决方案帮助您追踪、追踪和分析您的 3D 文件。

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