Insights l 强大欧洲背后，一文洞见Fraunhofer IPT的智造赋能力量！
对于科研界而言，德国Fraunhofer（弗劳恩霍夫）应用研究促进机构的存在神秘却又触手可及，一边是Fraunhofer不显山露水的低调，另一边是其专利技术渗透到我们生活的方方面面，就拿3D打印行业来说，主流的粉末床选择性激光熔化技术就来自于Fraunhofer应用研究促进机构，我们所熟知的业界主流金属3D打印设备用的无一不包含来自Fraunhofer的专利授权。
Fraunhofer的发展本身像一部推进科技改变生活的写实画卷，同时也见证了科技改变生活的神奇魅力。3D打印是一门跨界的技术，涉及到机械、激光、材料、数据、感应器监测、数字孪生、后处理、检测、人工智能、工业互联网等方方面面，随着3D打印的发展，Fraunhofer作为一个研究领域极其交叉和跨界的庞大的有机组织将为世界的创新发展注入更多的能量。
Fraunhofer如何赋能3D打印等现进制造技术？本期，3D科学谷特别与谷友分享Fraunhofer旗下72家研究所中的一家Fraunhofer IPT生产技术研究所，从中一起领略强大的欧洲制造背后，年研发经费超过150亿的Fraunhofer如何发挥中坚力量并不断的与时俱进，预见未来！
▲ Fraunhofer IPT生产技术研究所
与时俱进
预见未来
Fraunhofer IPT生产技术研究所的中心任务是将当前的研究结果直接转移到工业实践中。因此，Fraunhofer IPT不仅将研究工作集中在工业适用的生产技术上，而且在过程技术、生产设备、生产质量和测量技术以及技术管理领域提供大量技术产品和服务。Fraunhofer IPT在9000平方米的工作空间中通过460多名员工为业界提供了跨越竞争的研究项目，其中的5000平方米是实验室和机房。
Fraunhofer IPT的主要研究领域包括：工艺技术、生产设备、生产质量与测量技术、技术管理。
1. 工艺技术方面，Fraunhofer IPT的研究领域涵盖了精加工和光学、高性能加工、激光材料加工、涡轮机械技术、水射流加工和电火花、制造流程部门。
1.1 Fraunhofer IPT的“精密加工和光学”部门研究和开发用于制造和加工精密零件的技术。凭借“精密加工和光学”部门的专业知识以及最新的机器和软件技术，“精密加工和光学”部门致力于整个流程链中的问题-从工具设计到制造过程的设计和仿真，再到原型生产。“精密加工和光学”部门的技术组合包括自动精细加工、金刚石切割、超精密研磨、抛光、微结构和纳米结构以及高精度玻璃光学器件的压制。
其中已经完成的众多业界经典项目中，包括开发智能、可扩展的生产平台，用于生产玻璃制成的微光学组件；与中小型企业集成工艺链，以经济高效的方式制造复杂的玻璃光学组件；开发用于铸造涡轮叶片自适应磨削的机器人单元等，当前的研究项目还包括复杂生产工艺和产品的自适应进化，使用晶圆级玻璃成型的高效光纤等。
▲ Fraunhofer IPT生产技术研究所精加工和光学部门研究领域
1.2 Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门为整个过程链的加工开发技术和面向应用的解决方案-从过程设计和生产过程中的实时数据采集到咨询和原型生产。“高性能加工”部门以全面而有针对性的方式处理具有技术知识，仿真、数字孪生、系统能力和现代机械的研发项目；“高性能加工”部门利用数字化的可能性来加深对流程的了解并确保竞争力。“高性能加工”部门的经典研究主题包括多轴铣削和车削由超级合金、高硬钢、轻质和复合材料以及特殊材料制成的几何形状苛刻的零件。
Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门已经完成的众多业界经典项目中，包括针对重型TiAl低压涡轮叶片的量身性能定制的创新制造技术；灵活的机电夹紧系统，通过主动减振对铣削过程进行自优化；基于软件的NC程序优化等。当前的研究项目包括欧洲5G工业园-开发建立研究生产中的5G基础设施获得了强大的市场关注。
▲ 视频：欧盟资助的欧洲最大的5G工业园项目
其他当前的研究项目包括用于航空变速箱的紧凑型和轻型齿轮生产的创新工艺链，AdaptCAD-使用机器和过程数据修改三维CAD模型；AdPro-自由形式，可生物吸收的镁颅骨植入物的增材制造和全自动后处理；5GSensPRO-用于生产中监控的基于5G的传感器；EVOLOPRO-复杂生产工艺和产品的进化自适应等。
▲ Fraunhofer IPT生产技术研究所高性能加工部门研究领域
AdaptCAD项目是为了解决建模过程与加工过程的偏差，通过收集的数据用于机器仿真，以虚拟生成工件的实际几何形状。然后，工件的数字双胞胎可供生产计划人员用于计划进一步的生产步骤。同时，通过在精确的数据基础上计划生产程序，可以最大程度地减少制造错误，从而可以更可靠地计划流程链，并减少浪费，减少成本。
值得注意的是，Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门的AdPro联合项目的目的是以头骨植入物为例，设计和开发镁制生物可吸收植入物的制造工艺链。该过程链包括使用粘合剂喷射法对植入物进行增材制造，以及随后使用铣削进行后处理。
而Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门的“ IDEA-数字工程和增材制造的工业化”研究项目的是使基于粉末床的激光熔化工艺适合批量生产。为了解决用于增材制造的部件的制造过程仍然非常耗时且昂贵的痛点，针对当前各个加工过程步骤在很大程度上彼此隔离并且涉及大量的人工干预。因此，将增材制造中的工艺步骤联系起来，具有节省时间和降低制造成本的巨大潜力。Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门通过整个生产线的数字双胞胎，通过过程仿真，目的将制造过程的产品成本以及开发和生产时间将减少约50％。最重要的是，通过有效地耦合硬件和软件激发过程巨大的潜力。
1.3 在“激光材料加工”部门，Fraunhofer IPT开发并测试了各种基于激光的工艺，以有效地将“激光束”工具整合到价值链中。
已完成的经典项目包括TopCladd-自适应激光沉积焊接的焊缝特征；RoboTex-使用更高效的制造系统进行大面积激光结构化；ToolRep-创新的系统技术开发，用于结构化模具嵌件的自动化和基于激光的修复等。正在进行的项目包括MatLaMeD-混合激光熔覆新工艺的开发等。
▲ Fraunhofer IPT生产技术研究所激光材料加工部门研究领域
1.4 Fraunhofer IPT的“涡轮机械技术转让”部门填补了涡轮机械行业与研究之间的鸿沟。
1.5 Fraunhofer IPT的“水射流加工和电火花”部门开发针对不同应用的新方法，以最大程度地减少边缘区域的损坏，延长组件寿命并同时具有成本效益地进行制造。
其研究领域包括：可行性研究、过程链的集成、新的应用领域、采集、利用过程数据、基于仿真的过程设计等。
▲ Fraunhofer IPT生产技术研究所水射流及电火花部门研究领域
1.6 Fraunhofer IPT的“制造流程”部门为工业和研究领域的许多独立技术，过程和生产工厂开发解决方案，以将非常规制造过程集成到现有过程链中。Fraunhofer IPT的“制造流程”部门帮助市场进行可持续生产的投资计划。在小批量和一次性生产（主要在工具制造中）方面，Fraunhofer IPT的“制造流程”部门还支持公司实施自动化解决方案。
▲ Fraunhofer IPT生产技术研究所制造流程部门研究领域
2. 生产设备方面，Fraunhofer IPT的研究领域涵盖了精密工程与自动化、纤维复合材料和激光系统技术。
2.1 Fraunhofer IPT生产设备领域的“精密工程”部门，是微米和纳米范围内高精度和最小公差的合格合作伙伴，Fraunhofer IPT为高精度应用开发特殊的机器和系统。为了能够有效地建立各个系统并灵活地设计工业生产，“精密工程”部门推动模块化机器概念的发展。
“精密工程”部门已完成的经典项目包括：ERANET-OPTICALSTRUCT-混合光学器件的自由曲面微结构化的机器和工艺开发；AutoMiPro-通过高度灵活的物料流技术实现微型生产变化的物流概念；EPSIS-通过集成结构的传感器实现能源效率和精度；HiTecMass-高效生产微光学高科技模块；ePiTec-通过智能技术进行高效的光子学生产等。正在进行的项目包括EVOLOPRO-复杂生产工艺和产品的进化自适应；EverPro-光学生产系统的高效联网等。
▲ Fraunhofer IPT精密工程部门研究领域
2.2 Fraunhofer IPT生产设备领域的“纤维复合材料和激光系统技术”部门开发用于高性能材料和激光系统的专用机器。包括开发用于纤维复合材料技术的生产机器，并促进纤维复合材料生产的自动化。凭借Fraunhofer IPT在激光系统技术方面的专业知识，“纤维复合材料和激光系统技术”部门通过模块化添加激光系统来优化常规系统和机器-例如用于钣金加工。
正在进行的项目包括Bio-FML-开发和制造可持续的纤维金属层压板；C³-ColdCureComposites-纤维增强的轻质组件，采用新的基体材料；BioStrukt-通过经济生产具有转向纤维的结构优化的轻量化组件来实现仿生轻质结构等。
3. 生产质量与测量技术方面，Fraunhofer IPT的研究领域涵盖了生产质量与生产计量技术。
3.1 Fraunhofer IPT的生产质量板块包括生产数据、资料分析、基于数据的决策、生产组织、数字化转型、风险与质量管理等业务方向。
3.1.1 生产数据方面，包括硬件与软件系统、接口与连接、数据整合与数据结构、生产中的IT安全。
3.1.1.1硬件与软件系统方面，凭借多年的制造技术经验和完善的方法，Fraunhofer IPT为联网和同步的过程链选择了合适的机器和测量技术。与各种软件系统的连接为始终可用的产品，订单和质量数据奠定了基础。在机器上集成合适的传感器有助于实时收集过程数据。高效的接口加速了不同系统，机器和测量设备的通信。基于完整的数据库和有关生产的实时信息，可以确保无错误且高效的生产过程。
其中Fraunhofer IPT参与开发了创新的电池技术，致力于研究与生产相关的新型电池组概念及其应用。Fraunhofer IPT与来自工业和科学领域的五个合作伙伴合作，共同研究项目“ FlyGO”，以开发新的概念和系统，以降低燃料电池以前的高生产成本，推动新的氢电驱动器进入市场，进入批量生产，为大型汽车和飞机提供低成本燃料电池技术。
3.1.1.2 接口与连接方面，Fraunhofer IPT认为从价值创造过程中获取正确的数据并按需且几乎实时地将其提供用于分析是智能化制造的必然，特别是在对质量至关重要的监视和控制过程中。为此，必须根据情况分析生产通信系统必须满足的要求，例如在等待时间，可靠性或数据吞吐量方面。业界经常需要面对的问题例如是否可以使用有线传感器获取和传输数据，还是应该使用诸如未来5G电信标准之类的无线技术。Fraunhofer IPT支持公司确定其参与者和生产系统之间的通信要求。根据传输要求，分析过程监控和改进相关的数据。
此外，Fraunhofer IPT还可以确定在生产中使用可靠的通信技术可以开发出哪些创造价值的潜力。Fraunhofer IPT在接口与连接方面的服务包括关于通信系统要求的生产过程分析（例如，延迟，数据吞吐量），生产中使用通信系统的潜力分析。
3.1.1.3 Fraunhofer IPT“数据整合和数据结构”业务致力于通过数字双胞胎实现数据一致性，Fraunhofer IPT多年来一直致力于制造过程链中的数据一致性，研究活动的重点之一是数字孪生。一方面，此概念包括在流程链以及跨公司价值创造网络中以及整个产品生命周期中创建数据一致性，另一方面，它包括将数据库用于预测性维护或实时流程优化等应用程序。Fraunhofer IPT“数据整合和数据结构”部门的服务包括流程链和跨公司价值网络中数据一致性的概念；研究基于数据的项目的数据准备，例如预测性维护，实时过程优化或数字孪生。
3.1.1.4 Fraunhofer IPT“生产中的IT安全”业务的服务包括评估公司的IT安全级别并分析IT安全的潜力和风险；识别对安全至关重要的信息和数据流；量身定制的IT概念等
3.1.2 资料分析方面，包括AI人工智能、数据质量与数据预处理、 数据驱动的建模、工艺优化与使用
3.1.2.1 与Fraunhofer数据AI联盟的其他研究所一起，Fraunhofer IPT为制造业公司提供了将人工智能研究领域的专门知识带入工业实践的机会。为此，研究人员在一个跨学科的网络中还开发了“ AI Kick-Starter Bundle”。
3.1.2.2 数据预处理的结果是一个准备好的数据集，可用于统计数据分析和机器学习。由于自动化机器学习的当前发展，需要对数据预处理的自动化进行大量的工作。Fraunhofer IPT研究在生产环境中使用自动化数据预处理的方法，以加快以前的手动数据预处理的速度，并减轻数据科学家将来在这些单调任务中的负担。Fraunhofer IPT的服务包括数据质量检查以评估公司的数据质量，并制定路线图以提高数据质量；实施可重用的数据预处理管道以实现公司中数据的标准化准备，使员工能够开发自己的数据预处理管道。
3.1.2.3 生产中的数据驱动建模
数据的连续使用为生产带来了深远的优化潜力。由于产品个性化的增加，例如识别波动的质量参数的经典方法正达到其极限。使用机器学习和人工智能等新技术对数据进行系统的跨流程分析，可以进一步改善流程和产品。这样，过程和产品数据可以专门用于预测性维护，过程优化或预测质量，并有助于避免机器停机，缩短交货时间并提高过程和产品的质量。
- 混合建模
为了进一步改善数据驱动的建模，Fraunhofer IPT正在研究各种建模策略及其可能的组合（灰色框建模）,以巧妙的组合不同建模策略的优点。Fraunhofer IPT正在研究将物理模拟（白盒建模）和数据驱动的方法（黑盒建模）相结合的方法，以期激发建模在生产中的应用潜力。
- 建模过程的自动化
诸如AutoML之类的新的机器学习方法有助于很大程度上自动地创建机器学习模型。目的是提高机器学习的可访问性，并使未经机械培训的用户（例如通过自动数据处理或有针对性的算法和超参数选择）无需培训就更容易上手。但是，仅建模不足以充分利用数据驱动方法的潜力。Fraunhofer IPT开发实用的优化策略，通过结合建模和对公司流程和产品的现有知识的使用来支持新知识的获取。
3.1.3 基于数据的决策方面，Fraunhofer IPT的业务范围包括：信息合规、灵活的过程控制与调节、自适应决策支持、自主决策。
3.1.3.1 信息合规，今天的生产需要将来自ERP，ME和CAQ系统等不同来源的数据合并（链接到数据集成和数据结构），以及将数据准备（链接到AI用例选择）到可用信息，构成了提供信息的基础。人机工程学和直观的用户指南在这里特别重要，通常会通过虚拟化或增强现实等新的可视化选项进行补充。Fraunhofer IPT的服务包括系统地识别信息缺陷和程序缺陷；分析现有IT基础架构以集成新的解决方案以提供信息；信息系统的概念设计；原型实施和概念解决方案的验证。
3.1.3.2 灵活的过程控制与调节，Fraunhofer IPT正在研究和开发新的制造和装配概念，以实现灵活的过程控制和调节。重点是网络物理，自我优化和自由互连的生产系统，这些系统可对不断变化的框架条件做出自适应反应。系统的模块化和可重新配置性与智能过程控制相结合，可有效地生产小批量至单件的产品。Fraunhofer IPT的服务包括研究灵活的过程控制和法规、开发新的制造和装配概念、开发基于数据的过程控制系统、开发信息提供和决策支持系统。
3.1.3.3 自适应决策支持，现今的生产要求在发生不同事件时必须立刻做出决定，例如突然的机器故障或新的，时间紧迫的生产订单。为了获得迅速决定的可能性，必须首先分析生产的实际状态。为此，需要将来自各种来源（例如来自ERP，MES和CAQ系统的来源）的数据汇总在一起并进行处理。诸如决策树之类的固定算法现在可以自动为决策制定人员提供各种建议，以响应已发生的事件。Fraunhofer IPT的服务包括：识别和正式化相关事件、识别和分析决策中的影响因素，并与先前的数字化状态进行比较（数据可用性和质量，数据的标准化和频率）、自动自适应决策支持的概念、原型实施和验证。
3.1.3.4 自主决策，自主决策是基于数据的决策中最进步的方面：基于历史数据和对未来事件的预测，自主代理独立执行为先前定义的目标服务的动作。理想情况下，生产系统独立运行，并对出现的干扰立即做出反应。与人为决定相比，可以更好地利用机会，更快地规避风险。Fraunhofer IPT的服务包括：针对不同生产过程的自主决策代理的构想，研究项目中处方分析方法的开发。
3.1.4 生产组织方面，Fraunhofer IPT的业务范围包括：生产计划与控制、精益生产、工艺优化与自动化。
3.1.4.1 生产计划与控制，工业4.0的最重要目标之一是生产中的高度灵活性：甚至可以在短时间内将复杂的，针对特定客户的生产订单加载到正在进行的生产中，并按计划完成。机器和手动工作场所可以在车间自动配置，转换甚至移动。为了能够在生产计划和控制中体现这种灵活性，必须提供复杂的过程和软件解决方案。Fraunhofer IPT为这一艰巨任务提供解决方案-从需求分析到软件演示者的构思和开发。Fraunhofer IPT的的服务包括分析用于公司生产计划和控制的流程和IT解决方案，确定未来流程的要求，推导新的计划和控制策略以及必要的软件支持，软件演示器的开发和仿真的实现。
3.1.4.2 精益生产，Fraunhofer IPT伴随着公司的精益生产，从生产和过程分析到确定优化潜力，重点是单个生产线和整个工厂。生产布局和生产过程中的优化可以进行三维设计，甚至可以模拟。Fraunhofer IPT的服务包括分析生产和过程，以提高效率；创建流程以利用这种潜力（例如避免浪费，标准化流程，建立流程原则并调整生产布局；精益生产的3D设计和仿真；制定项目路线图以系统地执行开发概念。
3.1.4.3 工艺优化与自动化，Fraunhofer IPT与客户一起不仅分析了他们将来可以利用的优化和自动化潜力，而且还提出了集成新技术的可行方案。Fraunhofer IPT的服务包括：分析现有流程和制造技术，并得出优化潜力、筛选可用于工艺优化和自动化的技术、将新技术集成到现有生产中的概念创建、通过确定成本效益比进行比较、概念的3D建模和仿真、制定项目路线图以系统地执行已开发概念。
3.1.5 数字化转型方面，Fraunhofer IPT的业务范围包括：工业4.0战略路线图、技术选择与实施、商业模型开发与商业案例。
3.1.6 风险与质量管理方面，Fraunhofer IPT的业务范围包括：风险管理、质量管理、认证与审核。
3.2 Fraunhofer IPT的生产计量技术部门负责处理生产过程中与计量有关的所有问题以及制造公司的所有质量保证措施。Fraunhofer IPT的生产计量技术部门为汽车工业，机械和工厂工程或航空航天以及医疗和生物技术开发解决方案。为此，Fraunhofer IPT拥有现代测量系统的大量设备，不仅可以检查并确保联合项目结果的质量，而且可以与合作伙伴和测量技术提供商一起优化和进一步发展。
Fraunhofer IPT的服务包括：自动化测量技术（自动图像处理、高速显微镜），工业流程数字化（柔性生产系统、生产中的5G技术、集成），在线激光过程控制（短相干干涉法、彩色共聚焦传感器、激光诱导等离子体分析、激光材料加工过程监控），实验室自动化，生物医学影像（光学相干断层扫描、偏振敏感OCT、全场光学相干断层扫描），光学检查，光纤（轻量化组件的结构监控，光纤传感器），平版印刷（双光子聚合、干涉光刻），测量和设备构造。
▲ Fraunhofer IPT生产计量技术部门研究领域
4. 技术管理方面，通过系统的技术管理，公司想获得竞争力必须及时识别技术机会和风险并制定定制的反应策略。为此，必须以适当的方法来支持技术管理的各个方面，例如技术策略，技术早期发现，技术评估和技术开发，并通过适当的结构将其固定在公司中。Fraunhofer IPT为技术管理的所有问题开发量身定制的解决方案-从概念到战略，流程和方法的内容。
2015年9月，ACAM亚琛增材制造中心有限公司的奠基仪式在亚琛举行，这是基于Fraunhofer IPT生产技术研究所、Fraunhofer ILT激光技术研究所、亚琛工业大学等工业研究领域成员的合作。
▲ 视频：ACAM：为探索增材制造的复杂潜能导航
ACAM致力于为制造企业提供一站式的增材制造专业技术，成立以来积累了不同先进科研领域的专业知识，并通过提供联合研发、咨询、专业技术培训和教育服务、软件和系统工程以及定制服务，帮助企业应对增材制造技术在应用中的挑战。部分ACAM的合作对象包括舍弗勒、Danfoss、GKN、GE Additive、林德集团、欧瑞康、大隈、Stratasys、大众汽车及丰田汽车等。
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《3D打印数字化生产》
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