数字孪生助力3D 打印产业实现虚拟制造

杜银学，高灵宝

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750021）

1 数字孪生技术简介

数字孪生（Digital Twin，DT）是基于工业生产数字化的新概念，其准确表述还在发展与演变中，但其含义已在行业内达成共识，即在数字虚拟空间中，以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟物理空间中实体在现实环境中的行为特征，从而达到“虚—实”之间的精确映射，最终能够在生产实践中的开发、测试、工艺及运行维护等方面打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期的生产、管理、连接等高度数字化及模块化的新技术。数字孪生又常被称作数字双胞胎（Digital Twins）[1].

数字孪生技术作为一种多学科技术融合与虚拟调试、开发的技术平台，以一种并行的、可验证的方式对项目设计初期的发展方向进行把控，可根据市场和客户需求开展并进行设计与调试工作。数字孪生技术应用后既可以得到良好的可视化效果同时又可以将物理产品与数字产品间的内质进行联系[2]，在硬件设施没有到位组装的情况下，通过“虚—虚”“虚—实”相结合的方式对所研发的设备进行虚拟调试，凭借搭建的虚拟环境可对设备的机电设计、运动控制、工艺参数等不断优化和反复验证，并将最终结果映射到物理设备中去。数字化孪生技术的诞生和应用将为新时代制造业的发展提供强劲动力。

2 基于数字孪生的3D 打印设备虚拟制造过程

一台3D 打印设备的制造都要经历一个漫长而复杂的过程，从设计、采购、装配再到调试、优化、改进，每一项工作都要按照既定的顺序逐项进行，耗时耗力，且依赖于人的经验和过程控制。这种“先设计后制造”的传统制造模式将很难支撑未来先进制造业的发展与进步。

3D 打印机能否在装配之前就在电脑里跑起来？答案是肯定的。基于数字孪生技术的设计与制造，3D 打印机的设计人员将不再需要开发具体的物理原型来验证自己的设计与构思，也不用根据繁杂的物理实验去验证技术方案的可行性，更不用等3D打印机装配好之后再进行相关调试。数字孪生体中物理空间和信息空间之间存在光滑的连接通道而非相互隔离，这使得两者很容易实现交互[3]。依托数字孪生技术的3D 打印机制造过程，将贯穿于3D 打印机设计与制造生命周期中的不同阶段。

2.1 设计阶段的虚拟仿真

在3D 打印机的设计阶段，应用专业的虚拟仿真工具开发设计出对应型号的3D 打印虚拟原型机，形成工艺模型集、部件模型集、数据驱动模型集等服务组件，也就是通过这些模型集打造一个3D打印机的数字孪生体。通过三维空间的数字孪生体精准展现实体设备的各类物理参数，从而为虚拟制造、模拟仿真和功能测试提供模型支持，在创建的虚拟环境中对3D 打印机进行模拟调试，解决实体设备在工艺规划、工装干涉、PLC 逻辑控制、上下位机联调、效率提升等方面存在的一系列问题。

在3D 打印机的设计阶段，生产周期长、更改成本高的机械和电气结构部分可采用虚拟设备进行模拟仿真，易于构建和修改的控制部分则由PLC 搭建的物理控制系统来实现，由PLC 实物控制系统依据控制逻辑生成控制信号来控制虚拟环境中的机电对象，以模拟整个生产过程中的运动过程。基于设计阶段的模拟仿真技术，设计人员能够及时发现机电结构和运动控制过程中的问题，在实体样机建造之前就能够发现并解决问题，极大地节约了时间成本和经济成本。

2.2 制造过程中的实时仿真

在3D 打印机的制造过程中，通过数字孪生体的虚拟模型指导现场作业。现场装配人员无需翻阅大量图纸和作业指导书去查询某个部件的具体安装要求，只需根据数字孪生体的三维装配指引，按照顺序依次完成安装，从而避免错装、漏装情况的出现。

利用调试好的数字孪生体同实体设备进行过程交互来监管3D 打印机的制造过程。通过实际检测，将制造过程中的工件质量、装配进度、设计缺陷等多方面的实测数据实时传递到虚拟信息空间中进行展示；同时进行实测值与设计值、实际部件质量与设计指标，实际装配进度与计划装配进度等参数的多方面比对，实现基于3D 打印机孪生体的生产过程监管与生产实测数据分析。

在制造过程中采集的大量实测数据，通过人工智能和大数据分析，训练出用于监管3D 打印机制造过程的数据模型，根据数据模型的预测与分析总结出相应的制造过程解决方案并反馈给实体，从而实现数字孪生体对实体3D 打印机制造过程的动态控制与优化，以达到虚拟空间实时操控现实制造的目的。

2.3 售后服务阶段的回溯仿真

在3D 打印机的售后服务阶段，利用数字孪生体对物理设备的实时监控和预测性检修实现3D 打印机的远程运维。根据设备各部件、传感系统、控制系统等状态参数的实时反馈和可视化三维模型的回溯仿真，通过人工智能技术对设备“亚健康”部件的发展趋势进行预测和分析，提前精确诊断出设备即将出现的故障点。依托于预测和分析结果，针对故障的维修策略、人员需求以及备品备件的货期、库存管理等做出合理规划，真正达到“早发现，早治疗”、“对症下药”的运维效果，从而减少客户因非计划停产造成的不必要损失。

同时，对售后人员做过现场诊断的设备，要对设备运维的历史数据进行存档分析，将经过审核评价的运维结果作为新的基础数据纳入人工智能模型训练集，伴随着基础数据的不断积累，通过大量数据训练的人工智能模型将更加完善，对设备各部件、各子系统以及设备整体发展趋势的预测和分析将更加精准，从而搭建起一套基于设备健康评价的3D 打印机人工智能运维系统；同时，通过数字孪生体的实时展现将实体3D 打印机的运行情况尽收眼底。

在售后服务阶段，通过提炼和分析所采集的历史运维数据，将需要优化和改进的机电结构、控制逻辑以及动作节拍等数据以回溯仿真的方式反馈给设计和制造人员，从而形成一个制造闭环，在不断优化和改进过程中逐步提升3D 打印机的设计、制造和生产品质。

3 数字孪生技术为3D 打印产业赋能

数字孪生技术涉及了多个学科和多个领域的技术知识，数据展现方面具有虚实结合、实时映射、宏观立体的特性，是物理实体与虚拟信息交互、融合和映射的有效技术手段，能够在诸多方面为3D打印产业的发展赋能。

数字孪生技术为3D 打印产业的技术创新赋能。数字孪生需要用到各种数字化技术，包括物联网、虚拟现实、仿真工具等，通过这些手段将物理设备的属性映射到虚拟空间中，进一步加快人们对物理实体的了解。某些复杂且耗时耗力的工艺过程可能无法在实体设备上进行检测，但能通过虚拟实体进行模拟验证，基于数字孪生技术的虚拟试验能在一定程度上帮助设计人员拓展思路，进而指引并协助科技人员不断创新。

数字孪生技术为3D 打印产业的高效运维赋能。数字孪生通过捕获关于不同风险因素、操作场景和框架配置的数据，通过构建智能分析模型来预测维护故障。有助于3D 打印机节省运维开支，降低维护成本，同时能有效提高设备可靠性，减少停机时间，并延长设备使用寿命。

数字孪生技术为3D 打印产业的人员培训赋能。数字孪生可以生动展现实体设备的整体结构和工艺流程，通过虚拟操作重现实体设备在生产过程中的注意事项和操作流程，脱离苦涩刻板的传统培训方式，为员工提供更加宏观立体的培训体验，帮助被培训人员快速理解和掌握所学内容，再通过规定时间内的虚拟实操和训练，即可达到上岗便是骨干的完美培训效果。

数字孪生技术为3D 打印产业的提质增效赋能。拥有数字孪生体，设计人员无需再利用实体设备进行物理实验来改善工艺流程和动作节拍。可完全依托于数字孪生体对工艺流程和控制逻辑进行优化和验证，将最终得到的优化结果映射至实体设备，在足不出户的情况下达到亲临现场的效果，避免在设备优化和验证过程中影响现场生产，从而达到提质增效的目的。

4 结语

将数字孪生技术应用到3D 打印机的设计、制造以及服务领域，将不断推动3D 打印产业向前发展。数字孪生技术的应用，不仅能对原有模式进行优化，同时可以给产品服务模式进行革新，充分满足消费者对数字孪生产品数据资源的需求，可以说，在未来数字孪生技术会纳入到智能生产中[4]。很显然，数字孪生的概念将使供应链中的人受益，数字孪生技术的“虚—实”映射就像三维地图一样指引我们不断向前。在物联网、人工智能、大数据的创新中加入这种颠覆性的概念，对装备制造业来说是一个绝佳的变革机遇。