为什么要将数字孪生集成到3D打印中

南极熊导读：你是否听说过数字孪生（Digital Twin）？这一概念最早在20世纪60年代提出，初衷是为了创建阿波罗任务的动态模型，以便通过包含数字组件的航天器物理模型来评估可能的故障情况。自那时以来，这一概念不断演进，但核心思想保持不变。

本质上，数字孪生是一种虚拟模型，旨在精确反映物理对象的状态。根据IBM的定义，数字孪生是“对象或系统的虚拟表示，它涵盖其整个生命周期，并根据实时数据进行更新，同时利用模拟、机器学习和推理来支持决策过程。”虽然数字孪生常被与建模混淆，但它远不止于此。数字孪生中使用的算法和数学运算使用户能够预测零件的行为，特别是在使用3D打印技术制造的零件时尤为重要。

目前，数字孪生已经在从制造业到医疗业，甚至室内设计等各个领域找到了应用场景。此外，它们在增材制造中的应用也日益增加。根据Markets and Markets的数据，数字孪生市场在2022年的估值为69亿美元（约492亿人民币），预计到2027年将增长至约735亿美元（约合5246亿人民币）。这一发展趋势属实令人惊讶。那么，在3D打印中使用数字孪生的具体好处是什么？在应用之前需要了解哪些信息？南极熊对此进行了详细研究。

△未来，数字孪生将在3D打印中的应用日益广泛，尤其是对于涡轮机等部件

在3D打印中使用数字孪生

数字孪生和增材制造被广泛认为在工业4.0中发挥着关键作用。然而，直到最近几年，这两者才开始结合起来。值得注意的是，许多研究表明，3D打印与数字孪生的结合非常契合。这是因为增材制造本质上就是一种数字化过程。从在线设计到切片软件，再到监控整个打印过程的程序，自动化和人工智能已经在增材制造中找到了重要的应用。数字孪生则是可以进一步增强这一过程的工具。

那么，如何有效地将数字孪生应用于3D打印呢？首先，我们需要考虑将数字孪生集成到3D打印中的具体流程。如前所述，数字孪生的基础是3D模型，这可以通过计算机辅助设计（CAD）软件或生成设计软件来创建。此外，3D扫描技术的应用也越来越普及，因为它能够生成相关部件的精确模型。除了初始设计之外，目前市场上已有多款专门为数字孪生（包括3D打印）设计的软件程序，例如西门子、Simio或Netfabb。这些软件简化了数字孪生的集成过程，从而推动了增材制造的广泛应用。更重要的是，由于数字孪生能够真实重建产品，它在备件逆向工程等应用场景中的潜力也显而易见。

△数字孪生与3D打印技术对于工业发展密不可分

最后，值得注意的是，数字孪生有多种不同形式，这一点也需特别考虑。根据报告显示，数字孪生可分为四类，适用于增材制造：过程数字孪生、设备数字孪生、设施数字孪生和产品数字孪生。顾名思义，这些类别针对制造过程中的不同领域。过程数字孪生用于复制3D打印过程的数字版本，以支持设计、生产和维护。同样，设备数字孪生能够复制打印机，为维护工作提供重要信息。设施数字孪生则是前两者的结合，涵盖整个工厂车间的规模。最后，产品数字孪生是针对产品和零件的虚拟表示，可以进行优化、测试、设计和分析，以预测其性能。

△数字孪生如何与3D打印配合使用的示例

为什么要将数字孪生集成到3D打印技术中

数字孪生与3D打印的结合也带来了许多好处，特别是在零件质量控制方面。尽管3D打印已经从最初的快速成型技术发生了很大变化，但随着越来越多的最终用途零件进入市场，质量控制仍然是一个问题。实际上，由于其本质，3D打印通常需要进行大量测试以确保正确的参数，以防止打印失败。但这与该技术的两个最大优势（即成本和材料减少）形成了鲜明对比。

幸运的是，数字孪生可以有效解决这一问题。数字孪生允许用户通过反馈产生的连续数据流直接评估参数，这反过来又允许优化这些参数而无需进行物理测试。此外，使用数字孪生，可以实时监控整个3D打印过程，从而提高最终打印的准确性。这使得3D打印的质量控制更加可靠，尤其是在更工业化的流程中，包括通过激光粉末床工艺等方法进行的金属3D打印，因为它也可以提高一致性。

此外，如上所述，数字孪生不仅适用于单个部件。事实上，它们可以用于整个工厂车间。这将使工业化的增材制造变得尤为可行，因为3D打印机“农场”不仅可以在个体层面进行优化，还可以在整个车间进行优化，以实现更高效的生产。

尽管如此，但在实际应用中仍然会遇到一些困难和问题。数字孪生的实际定义和开发仍然相当困难，尤其是因为这个框架本身尚不为人熟知。然而，数字孪生与3D打印结合的速度越快，克服这些障碍的过程也会越快。而且这种情况已经在更大范围内发生，特别是随着人工智能和更复杂的机器学习工具的使用增加。我们期待看到数字孪生和3D打印在未来如何进一步结合以及其发展的新动态。