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當前生產工藝學的發展有兩個明顯的發展趨勢：工業4.0 和增材制造。工業 4.0 描述的是生產過程的數字化和網絡化。這涉及到有關云技術的系統——能夠靈活地訪問共享的計算機資源。

增材制造，或者 3D 打印，它幾乎能夠根據工程師的設計數據直接生產出可以使用的零部件。它也是一種基于加工數據的數字化加工制造技術方法——幾乎沒有一種生產加工技術像增材制造這樣數字化。它要求生產組織部門考量材制造工藝過程的所有細節并提出有利于用戶使用的全新解決方案。

多年來，德國漢堡和 Lüneburg 市的 IAPT 霍倫霍夫研究所研究一直在大力推進增材制造技術的工業化應用（圖 1）。 該研究所的 AM4.0（增材制造 4.0）部門開發設計了一整套增材制造的數字化和生產組織的新方案。本文將介紹人們關心的一些問題和這一解決方案的應用。

增材制造的智能工廠

工業 4.0能夠將加工機床的工作狀態，例如是否停機等及時的反饋給生產計劃系統。這就能使生產計劃的控制處在一個封閉的調節循環中。智能化的和自我組織生產的工廠愿景，也就是人們常說的智能化工廠也可以通過工業 4.0 技術的應用而變成現實。

在這樣的相互關系中，IAPT 霍倫霍夫研究所制定了“仿生智能工廠 4.0”的工廠方案（圖 2）。這一方案將增材制造與智能工廠結合起來，完成復雜生產過程的智能化組織：能夠在最短的時間內完成高復雜產品、多種多樣變型產品的生產制造。仿生智能工廠 4.0 包含了一個基于云技術的數據系統，一個或者多個分布式制造系統。其中的云系統在合同實施過程中起到了核心作用。它可以通過瀏覽器接收客戶的訂單，估算成本費用，評估使用增材制造的潛力，例如通過零部件幾何形狀、 結構的優化來減輕重量。由于增材制造有著很高的幾何形狀加工的自由度，因此能夠生產、制造功能優化和重量優化的零部件（圖 3）。

在改進或者重新設計之后，下一步就是生產和數據的準備工作了。生產制造系統利用增材制造技術將零件加工出來。當前，與工業生產有著很大關系的新工藝、新技術就是用于金屬零部件加工的選擇性激光束熔化技術。這種基于粉末原材料基礎上的激光加工工藝技術是一層層的噴灑金屬粉末、利用激光光束一層層的熔化這些金屬粉末，最終制造出所需的零件。這一技術能夠在一個安裝空間里加工多個零件。完成零件加工之后，通常要有滿足一定的質量要求、改善零部件的性能的精整后處理工序。

增材制造過程中的生產組織

在增材制造過程中，加工工藝計劃和生產過程控制不僅包括了像零部件的生成過程也包括了打印后的精整過程，其中的加工工藝計劃包括了所有必須一次性執行的工藝措施。生產調度則是通過生產計劃和控制，按照加工工藝計劃落實用戶的訂單合同。 生產調度的主要目的是：確保準時交付、很高的生產能力利用率、 很短的生產加工工時、很低的庫存和很高的生產靈活性。

加工工藝計劃主要包含了制定有操作順序和操作時間， 加工設備控制程序的以及設計和制造所需的工藝裝備、夾具等 內容的工藝路線。工藝路線是在用戶通過云技術系統的 Web 界面選擇的精整后處理步驟的基礎上制定的。工藝路線中具體一臺設備參與增材制造是由輸送到設備中的原材料決定的。額定工時由系統中開發的工時模塊進行計算。

數據準備中要做好生成 3D 打印零件所需的空間準備。這里的準備工作包括確定零件在加工空間中的方位、在支撐板上 固定3D打印零件的輔助支撐結構和將同時加工的零件的布置。 這一步工作將加工工藝計劃和生產控制緊緊的結合到一起了。 根據產品生產時生產能力利用率的大小，被打印的零件可以有完全不同的安置方式和方位。當生產能力利用率不大時，可以簡單的將一個個被打印的零件按照最低打印密度進行排列，以便于快速的送出打印的零件。當生產能力利用率較高時，零件就要按照較高的打印高度進行排列了，以便在一塊支撐板上盡可能多的排列幾個零件。

在采用了工業 4.0 技術之后，改變的不僅僅是與生產計劃 和控制有關的生產調度的控制過程。將3D打印作為一種工業4.0 的技術加以應用，改變了傳統的加工工藝計劃和生產調度的分離狀態。為此，霍倫霍夫 IAPT 研究所還開發了自動化的解決方案和相應的算法語言。

增材制造過程的計劃和控制

增材制造工藝過程的生產調度有兩個主要組成部分；一個 是各臺 3D 打印設備打印空間的編排、整理，另一個是打印空間的使用順序。哪些零件在一次 3D 打印中同時制作出來？它們都在 3D 打印支撐板的什么位置打印（圖 4）？目前普遍的做法是：按照已經確定的零件方位可以實現的最高生產能力利用率。這樣一來，打印空間的優化問題也就轉換成了支撐板的 裝箱問題了。而裝箱的問題是：在盡可能少的箱子中裝下一定 數量的不同物體。裝箱問題的解決方案可以是根據零件的打印高度和時間進行分類、分組；但要注意的是：這里的時間指的是扣除所有零件實際打印時間之后到合同最后期限還“剩下多少時間”。

3D 打印空間的使用順序（圖 5）是將各臺增材制造設備打 印空間使用的開始時間和結束時間進行了排序。這一計劃的目 的是：通過打印空間使用的排序使總的增材制造時間盡可能的 短一些。這樣就能保證最高的生產能力利用率和最低的生產工 時了。考慮到必須遵守的完工交貨期，3D 打印空間準備工作 和（僅在上下班換班期間）的整理工作，打印空間的使用順序 應盡可能的縮短間隔、安排的更加緊湊。

打印后精整工作的計劃和控制

這里的精整包括了增材制造零件生成之后直至最終結束圖 5：增材制造生產過程中的打印支撐板使用排序表。 之前的所有工序（圖 6）。為了消除增材制造零件中的內應力通常都要將支撐板和支撐板上的增材制造零件一同進行熱處理。熱處理后由線切割將增材制造的零件從 3D 打印支撐板上切割下來。然后是去除支撐結構件。在單件生產和小批 量生產情況下，這一工序通常是手動操作的加工工序。隨后的表面處理用于清除殘留的金屬粉末以及使零件表面更加平滑、提高表面強度。最后是零件功能表面的切削加工。

后續精整工作調度、控制取決于訂單處理順序中的每一步工作。后一工序的完成日期要考慮前一工序的完成時間，以便獲得最理想計劃方案。

實施和評估

計算機軟件支持下生產組織方法的實施是在云系統框架內利用網絡瀏覽器進行的。這樣，生產計劃和控制就可以直接在網絡瀏覽器上的訂單聯系起來了。這就形成了一個集成式的系統解決方案：包含了從銷售部門處理訂單到產品生產直至最后供貨全過程的解決方案了。網絡服務器在后臺與相關聯的數據庫保持聯系，保存所有處理合同時的數據和生產系統的數據。

對不同典型案例的分析評估表明：使用計劃算法語言之后， 3D 打印所需的時間縮短了 30% 以上。另外，智能化的精整加工計劃還能更好地保證供貨期了。而制定這樣的生產計劃少則幾秒鐘、多則幾分鐘的時間：取決于合同的數量。這就能夠在生產實踐中更加靈活的應用計算機輔助支持的生產計劃和控制軟件了。

小結和展望未來

在工業 4.0 的背景下，生產計劃主要是利用計算機軟件自動完成的。本文介紹的增材制造生產組織解決方案能夠提高生產能力，縮短合同的執行時間，更好的保證合同的交付期。增材制造設備支撐板的匯總統一管理、編排利用和后續精整工序相 互結合，是自動化增材制造生產組織的重要組成部分。使用這種基于云技術的解決方案可以順利的將增材制造生產計劃和控制納入工業 4.0 的生產環境之中，并有效提高實際應用的靈活性。

將當前生產狀況的數據實時地納入生產計劃和控制過程之中就能夠快捷的對產品生產的實際情況作出反應，也為進一步的研發工作提供了更大的空間。