基于快速原形制造的模具數(shù)字工廠

■ 中國重汽集團濟南橋箱有限公司 （山東濟南 250022） 劉勝勇

高級工程師 劉勝勇

模具快速原形制造技術(shù)既適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的快速經(jīng)濟制造，又能降低個性化、定制生產(chǎn)和創(chuàng)新設(shè)計的加工成本，還可做到無模化的綠色、節(jié)能、低碳環(huán)保型制造。基于這些特點，它正被陸續(xù)應(yīng)用于醫(yī)療服務(wù)、汽車制造、通信業(yè)務(wù)、金屬冶煉和航空航天等領(lǐng)域。如圖1所示為塑膠車門及其注塑模具。

此外，在數(shù)控裝備朝著高效、高精和高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)全面提速的態(tài)勢下，在生態(tài)環(huán)境保護的綠色制造要求下，在人們對制造業(yè)潔凈舒適輕盈工況的需求下，數(shù)據(jù)共享化、過程自動化、裝配無人化及供需定制化的數(shù)字工廠將成為當(dāng)前乃至未來一段時間內(nèi)模具快速原形制造賴以生存的創(chuàng)新生產(chǎn)力。

模具快速原形制造有兩個環(huán)節(jié)——快速成形與快速制造。前者是以設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將液體、粉末、線材或塊材等成形材料變?yōu)樗韫に囆螒B(tài)后，經(jīng)具有高精、柔性和自動等特點的成形機按預(yù)定輪廓軌跡累加起來，快速得到制件原形。后者是對制件原形進行打磨、拋光、噴涂和機加工等必要的后置處理，以光整制件形廓、提高使用壽命和滿足用戶要求。這兩個環(huán)節(jié)的數(shù)字工廠建設(shè)既離不開模具制造一體化集成軟件的采用，也離不開工業(yè)互聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中樞的搭建；既離不開模具全生命過程自動化的技術(shù)改造，也離不開客戶至上的供需定制化應(yīng)用，還離不開高效運維隊伍的持續(xù)建設(shè)。

圖1 塑膠車門及其注塑模具

1. 模具制造一體化的集成軟件

在采用快速原形制造技術(shù)獲取模具制件的過程中，設(shè)計階段基于CAD/CAM/CAE等技術(shù)的模具設(shè)計輔助軟件是必不可少的，有的甚至兼顧了生產(chǎn)級準(zhǔn)備、優(yōu)化和制造的每一步流程。模具軟件的選擇既涉及公司的資金允許度，又要考慮模具設(shè)計的綜合需求，還得兼顧平臺服務(wù)器和應(yīng)用人員的熟悉程度。例如，Mold Planner軟件（見圖2a）可進行模具的構(gòu)思設(shè)計、分模設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，Pro/ENGINEER Wildfire軟件（見圖2b）可進行模具的連續(xù)沖模設(shè)計，MoldFlow軟件（見圖2c）可進行塑料注塑成形的模流分析，3DXpert軟件（見圖2d）可進行3D模型自增材制造到后置處理的集成化設(shè)計等。這些軟件的插補精度決定了模具設(shè)計的復(fù)雜程度，嵌入功能影響了模具制造的結(jié)果預(yù)判，二次開發(fā)度制約了后置處理的功能拓展，硬件兼容度抑制著單元裝配的緩存速度，命令生成碼關(guān)聯(lián)著數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)程控。

2. 搭建工業(yè)互聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中樞

隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)全面提速，更多的數(shù)控裝備、復(fù)雜的造形、可控的粉末、快換的工裝、可視的狀態(tài)以及交織的熱流道等組件，通過低延遲多節(jié)點的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，陸續(xù)地融入模具快速原形制造中。物料供應(yīng)、設(shè)備運行、能量利用、造形質(zhì)量、財務(wù)報表、生產(chǎn)控制、訂單管理及售后反饋等眾多數(shù)據(jù)，都可在高效傳輸速率以太網(wǎng)絡(luò)（見圖3）輔助下，實時圖形化顯示在可視化終端上。網(wǎng)絡(luò)化措施有引入5G網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)云平臺，成立數(shù)據(jù)部門——規(guī)章建制，給定數(shù)據(jù)規(guī)范——命名、編碼及安全等，劃分?jǐn)?shù)據(jù)層級——設(shè)備端、公司層或云平臺處理，以及優(yōu)化數(shù)據(jù)流程等。

圖2 模具制造軟件應(yīng)用示意

圖3 以太網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通示意

3. 模具全生命過程自動化技改

模具數(shù)字工廠既離不開模具生產(chǎn)過程及后置處理的數(shù)字化控制，也離不開中間加工環(huán)節(jié)的可視化監(jiān)視；既離不開模具精度數(shù)據(jù)的實時采集，也離不開裝/卸料、澆鑄和清洗等步驟的自動化。為此，投入資金、新建廠房、布置方案、購置裝備、搭建網(wǎng)絡(luò)、培訓(xùn)人員、拓寬市場和適應(yīng)客戶等，均是數(shù)字工廠建設(shè)必不可少的要素。期間，須將溫度探測、壓力監(jiān)控、熱能拾取、振動獲知及噪聲抑制，納入到海量數(shù)據(jù)的采集和處理中；須對裝備工況實現(xiàn)在線診斷，做到刀具壽命管理、線外補償?shù)堆a數(shù)據(jù)等；須對風(fēng)水電氣消耗、材料使用、質(zhì)量波動進行動態(tài)分析，直觀呈現(xiàn)給中控管理層面并適時作出遠(yuǎn)程反饋。選用數(shù)控裝備時，要考慮第7代CNC、電主軸、直線電動機和EnDat光柵尺等零部件的配置，考慮主軸功率、定位精度、重復(fù)定位精度、低速平穩(wěn)性和高速振動特性等性能，考慮其二次開放性以及與其他品牌智能裝備的快速集成能力等（見圖4）。選用3D打印等增材制造裝備時，要考慮模具材料的及時供應(yīng)、工業(yè)化大功率能量的提供、成形零件后處理工藝輔助及優(yōu)異機械耦合性能的匹配等。選用智能機器人時，多選用六自由度關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人，以滿足裝/卸料定位要求并適應(yīng)刀具的剛性抓持；多選用地軌式可移動機器人，盡量少用坑道式/桁架式機器人，以避免坑道維修和高空檢修。此外，還有倉管物聯(lián)網(wǎng)的新增、中控軟件開發(fā)以及AGV物流輸送等。

圖4 配FANUC機器人的柔性制造線

4. 客戶至上的供需定制化應(yīng)用

通常，產(chǎn)品只有進行市場交易，才會產(chǎn)生基于價格變動的供需關(guān)系。產(chǎn)品供不應(yīng)求時，其價格上漲至價值以上；產(chǎn)品供大于求時，其價格就會下降到價值以下。模具也不例外，需將其銷售分析納入到數(shù)字工廠的大數(shù)據(jù)分析中。模具商通過歷史數(shù)據(jù)的組合和當(dāng)前需求變化的分析，掌握區(qū)域性需求占比和變化、模具品類的市場歡迎程度以及用戶的購買層次，進而實時更改模具設(shè)計品種、調(diào)整經(jīng)營策略和強化制造流程。基于客戶至上的新型供需關(guān)系，模具訂單量決定著數(shù)字工廠的運行效率，影響著巨額投資的回報周期，關(guān)聯(lián)著附加值的后續(xù)提升。因此，云計算下海量數(shù)據(jù)的采集和處理，是模具數(shù)字工廠建設(shè)中不可忽視的重要一環(huán)。某模具的部分財務(wù)指標(biāo)分析見表1。

表1 某模具的部分財務(wù)指標(biāo)分析

圖5 操作人員反饋的工作母機故障示意

5. 數(shù)字工廠運維隊伍持續(xù)建設(shè)

模具企業(yè)經(jīng)營利潤最大化的因素之一，就是在建的數(shù)字工廠能夠高品質(zhì)、高效率地連續(xù)運行（見圖5），做到裝備零故障、產(chǎn)品零損失和工時零浪費。這離不開企業(yè)全面有效的切實管理，更離不開運維人員操作設(shè)備的正確性、保養(yǎng)設(shè)備的全面性、跟蹤產(chǎn)品的實時性、根除隱患的徹底性以及恢復(fù)運行的及時性。

對于數(shù)字工廠運維隊伍的建設(shè)，企業(yè)要優(yōu)化結(jié)構(gòu)、培育人才，邁向智造。先是提高認(rèn)識，制定企業(yè)人才隊伍建設(shè)規(guī)劃；再是搭建平臺，創(chuàng)造條件，用事業(yè)發(fā)展留人；三是把握規(guī)律，完善制度，以制度待遇留人；四是創(chuàng)建學(xué)習(xí)型企業(yè)，促進企業(yè)發(fā)展和員工成才。

個人要成為智造環(huán)境的運維高手，俯首躬耕、刻苦鉆研和創(chuàng)新創(chuàng)效很有必要。個人要注重智慧與品格的修養(yǎng)，真正做到“勿以惡小而為之，勿以善小而不為”；要關(guān)注自身工作和行業(yè)發(fā)展，拓寬知識視野，完善知識結(jié)構(gòu)，提高自身競爭力；要深化發(fā)展自身的興趣愛好，基于崗位延伸，涉獵并深入學(xué)習(xí)其他知識；要摒棄裝備維護費時減產(chǎn)的落后觀念，努力學(xué)習(xí)崗位業(yè)務(wù)知識，掌握設(shè)備操作要領(lǐng)，提升綜合運維技能。例如，總結(jié)快速處理設(shè)備故障的四步到位法維修規(guī)范：故障記錄到位→診斷分析到位→故障維修到位→維修記錄到位，提煉診斷分析階段的三大維修技法（電信號演繹法、工作介質(zhì)流向法和機械動作耦合法）及其13個維修子方法。圖6所示為四步到位法維修規(guī)范及其維修子方法示意。

圖6 四步到位法維修規(guī)范及其維修子方法

6. 結(jié)語

模具數(shù)字工廠是未來智能工廠的落腳點，更是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)點。因此，在基于MES環(huán)境的信息集成下，對模具快速原形制造涉及的研發(fā)、制造和管理等各環(huán)節(jié)進行全面的數(shù)字化管控和深入的大數(shù)據(jù)分析，提高全生命過程的可控性，減少生產(chǎn)中的人工干預(yù)，是構(gòu)建模具數(shù)字化工廠的必經(jīng)路徑，也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享化、過程自動化、裝配無人化和供需定制化“四化”目標(biāo)的必要手段。