基于快速原形制造的模具数字工厂

■ 中国重汽集团济南桥箱有限公司 （山东济南 250022） 刘胜勇

高级工程师 刘胜勇

模具快速原形制造技术既适合复杂结构模具的快速经济制造，又能降低个性化、定制生产和创新设计的加工成本，还可做到无模化的绿色、节能、低碳环保型制造。基于这些特点，它正被陆续应用于医疗服务、汽车制造、通信业务、金属冶炼和航空航天等领域。如图1所示为塑胶车门及其注塑模具。

此外，在数控装备朝着高效、高精和高速发展，互联网络基础建设全面提速的态势下，在生态环境保护的绿色制造要求下，在人们对制造业洁净舒适轻盈工况的需求下，数据共享化、过程自动化、装配无人化及供需定制化的数字工厂将成为当前乃至未来一段时间内模具快速原形制造赖以生存的创新生产力。

模具快速原形制造有两个环节——快速成形与快速制造。前者是以设计数据为基础，将液体、粉末、线材或块材等成形材料变为所需工艺形态后，经具有高精、柔性和自动等特点的成形机按预定轮廓轨迹累加起来，快速得到制件原形。后者是对制件原形进行打磨、抛光、喷涂和机加工等必要的后置处理，以光整制件形廓、提高使用寿命和满足用户要求。这两个环节的数字工厂建设既离不开模具制造一体化集成软件的采用，也离不开工业互联神经网络中枢的搭建；既离不开模具全生命过程自动化的技术改造，也离不开客户至上的供需定制化应用，还离不开高效运维队伍的持续建设。

图1 塑胶车门及其注塑模具

1. 模具制造一体化的集成软件

在采用快速原形制造技术获取模具制件的过程中，设计阶段基于CAD/CAM/CAE等技术的模具设计辅助软件是必不可少的，有的甚至兼顾了生产级准备、优化和制造的每一步流程。模具软件的选择既涉及公司的资金允许度，又要考虑模具设计的综合需求，还得兼顾平台服务器和应用人员的熟悉程度。例如，Mold Planner软件（见图2a）可进行模具的构思设计、分模设计和结构设计，Pro/ENGINEER Wildfire软件（见图2b）可进行模具的连续冲模设计，MoldFlow软件（见图2c）可进行塑料注塑成形的模流分析，3DXpert软件（见图2d）可进行3D模型自增材制造到后置处理的集成化设计等。这些软件的插补精度决定了模具设计的复杂程度，嵌入功能影响了模具制造的结果预判，二次开发度制约了后置处理的功能拓展，硬件兼容度抑制着单元装配的缓存速度，命令生成码关联着数控装备的网络程控。

2. 搭建工业互联神经网络中枢

随着互联网络基础建设全面提速，更多的数控装备、复杂的造形、可控的粉末、快换的工装、可视的状态以及交织的热流道等组件，通过低延迟多节点的互联网络，陆续地融入模具快速原形制造中。物料供应、设备运行、能量利用、造形质量、财务报表、生产控制、订单管理及售后反馈等众多数据，都可在高效传输速率以太网络（见图3）辅助下，实时图形化显示在可视化终端上。网络化措施有引入5G网络，建设云平台，成立数据部门——规章建制，给定数据规范——命名、编码及安全等，划分数据层级——设备端、公司层或云平台处理，以及优化数据流程等。

图2 模具制造软件应用示意

图3 以太网络互联互通示意

3. 模具全生命过程自动化技改

模具数字工厂既离不开模具生产过程及后置处理的数字化控制，也离不开中间加工环节的可视化监视；既离不开模具精度数据的实时采集，也离不开装/卸料、浇铸和清洗等步骤的自动化。为此，投入资金、新建厂房、布置方案、购置装备、搭建网络、培训人员、拓宽市场和适应客户等，均是数字工厂建设必不可少的要素。期间，须将温度探测、压力监控、热能拾取、振动获知及噪声抑制，纳入到海量数据的采集和处理中；须对装备工况实现在线诊断，做到刀具寿命管理、线外补偿刀补数据等；须对风水电气消耗、材料使用、质量波动进行动态分析，直观呈现给中控管理层面并适时作出远程反馈。选用数控装备时，要考虑第7代CNC、电主轴、直线电动机和EnDat光栅尺等零部件的配置，考虑主轴功率、定位精度、重复定位精度、低速平稳性和高速振动特性等性能，考虑其二次开放性以及与其他品牌智能装备的快速集成能力等（见图4）。选用3D打印等增材制造装备时，要考虑模具材料的及时供应、工业化大功率能量的提供、成形零件后处理工艺辅助及优异机械耦合性能的匹配等。选用智能机器人时，多选用六自由度关节式工业机器人，以满足装/卸料定位要求并适应刀具的刚性抓持；多选用地轨式可移动机器人，尽量少用坑道式/桁架式机器人，以避免坑道维修和高空检修。此外，还有仓管物联网的新增、中控软件开发以及AGV物流输送等。

图4 配FANUC机器人的柔性制造线

4. 客户至上的供需定制化应用

通常，产品只有进行市场交易，才会产生基于价格变动的供需关系。产品供不应求时，其价格上涨至价值以上；产品供大于求时，其价格就会下降到价值以下。模具也不例外，需将其销售分析纳入到数字工厂的大数据分析中。模具商通过历史数据的组合和当前需求变化的分析，掌握区域性需求占比和变化、模具品类的市场欢迎程度以及用户的购买层次，进而实时更改模具设计品种、调整经营策略和强化制造流程。基于客户至上的新型供需关系，模具订单量决定着数字工厂的运行效率，影响着巨额投资的回报周期，关联着附加值的后续提升。因此，云计算下海量数据的采集和处理，是模具数字工厂建设中不可忽视的重要一环。某模具的部分财务指标分析见表1。

表1 某模具的部分财务指标分析

图5 操作人员反馈的工作母机故障示意

5. 数字工厂运维队伍持续建设

模具企业经营利润最大化的因素之一，就是在建的数字工厂能够高品质、高效率地连续运行（见图5），做到装备零故障、产品零损失和工时零浪费。这离不开企业全面有效的切实管理，更离不开运维人员操作设备的正确性、保养设备的全面性、跟踪产品的实时性、根除隐患的彻底性以及恢复运行的及时性。

对于数字工厂运维队伍的建设，企业要优化结构、培育人才，迈向智造。先是提高认识，制定企业人才队伍建设规划；再是搭建平台，创造条件，用事业发展留人；三是把握规律，完善制度，以制度待遇留人；四是创建学习型企业，促进企业发展和员工成才。

个人要成为智造环境的运维高手，俯首躬耕、刻苦钻研和创新创效很有必要。个人要注重智慧与品格的修养，真正做到“勿以恶小而为之，勿以善小而不为”；要关注自身工作和行业发展，拓宽知识视野，完善知识结构，提高自身竞争力；要深化发展自身的兴趣爱好，基于岗位延伸，涉猎并深入学习其他知识；要摒弃装备维护费时减产的落后观念，努力学习岗位业务知识，掌握设备操作要领，提升综合运维技能。例如，总结快速处理设备故障的四步到位法维修规范：故障记录到位→诊断分析到位→故障维修到位→维修记录到位，提炼诊断分析阶段的三大维修技法（电信号演绎法、工作介质流向法和机械动作耦合法）及其13个维修子方法。图6所示为四步到位法维修规范及其维修子方法示意。

图6 四步到位法维修规范及其维修子方法

6. 结语

模具数字工厂是未来智能工厂的落脚点，更是工业4.0的基础点。因此，在基于MES环境的信息集成下，对模具快速原形制造涉及的研发、制造和管理等各环节进行全面的数字化管控和深入的大数据分析，提高全生命过程的可控性，减少生产中的人工干预，是构建模具数字化工厂的必经路径，也是实现数据共享化、过程自动化、装配无人化和供需定制化“四化”目标的必要手段。