从生成式设计和轻量化到软件模拟和分散生产，向数字化制造的过渡有望释放巨大的潜力。然而，包括军事、航空航天和汽车在内的大型组织很难充分利用这种潜力，部分原因是将这些技术集成为企业级解决方案的复杂性。
一个理想的平台应该将增材制造(DfAM)的自动化设计能力、增材制造构建准备与机器学习、数据分析和制造执行系统(MES)结合到一个接口中。他们相信，这种组合界面将把设计周期从几周缩短到几小时，降低项目成本，并改善零件质量。此外，供应链的复杂性将几乎被消除，因为部件可以在世界上的一个地方设计，然后在地球上的任何地方打印，甚至在太空中，只需按一下按钮。
美国海军一直在解决这个问题。最近，通过一个小企业创新研究(SBIR)项目，它要求对可以在整个国防部(DoD)使用的端到端增材制造(AM)系统的开发进行投标。
加州行业领先的DfAM和生成设计软件提供商ParaMatters公司联合创始人兼首席技术官Michael Bogomolny博士解释说:“海军正在寻找一种具有可审计性和合规性认证的简化流程。”“我认为CAD / CAM Services的直觉足以让我们知道，这种解决方案不是任何一家公司能够完成的。”
CAD / CAM服务公司是一家总部位于德克萨斯州的美国联邦政府主承包商。它的引入是为了将商业现货(COTS)技术集成到一个单一的接口中，这将使国防部能够管理和扩展其AM流程。
CAD / CAM服务公司首席执行官斯科特·舒珀特说:“作为起点，海军希望解决越来越多的供应链和物流问题，比如说，印度洋中部的一艘航空母舰立即需要特定的部件。”“他们希望只需按下一个按钮，就可以直接在船上的3D打印机或最近的可用打印机上开始打印。”
为了完成这一任务，Shuppert和他的团队必须为零件生命周期中的每个步骤提供可行的解决方案，从开发和认证到服务和更换。
从前端开始
Shuppert说:“最终，海军和国防部希望拥有一个完整的仓库，对其武器库中的每一个部件进行编目、认证，并准备好在世界任何地方通过3D打印机进行数字化制造。”
因此，每个组件都必须对其设计进行彻底的评估。例如，首先，这个部件是否能够数字化制造?
“想想直升机上的旋翼叶片。它太大了，至少现在还不能用3D打印。所以，这部分被拒绝了。”“也许零件必须使用一种奇异的金属或复杂的几何形状来制造，这是目前AM不可能实现的。这也会被放弃。”
如果零件被认为是可接受的，它是最适合加法还是减法制造?它能通过生成设计或材料科学得到改进吗?是否需要数字模拟和/或有限元分析(FEA)?
“对于系统的DfAM和生成式设计方面，我们希望从设计过程中尽可能多地去除人为因素。ParaMatters的平台通过加法模拟和有限元分析来实现这一点。”Shuppert说。“这使他们成为我们海军项目的首选，因为它降低了必须在前端集成多个系统的复杂性。”
通过“参数”平台，海军可以输入特定组件所需的特性，该软件将通过测试、模拟和检查对其进行优化。该软件选择适当的材料，确定打印的最佳方向，包括支撑结构，在构建托盘上嵌套部件，并为每个组件生成所有切片数据。它也是技术和材料不可知论者，这是海军的一个关键特征。
通过生成式设计，这种方法将提高重量与性能、结构完整性和各种材料性能。它还可以通过将它们组合成单个打印件来减少组件中所需的部件数量。
“这是人类知识在设计过程的第一步无法做到的，”Bogomolny说。这样，你就缩短了一个数量级的设计周期。”
然后，这些元素被整合到一个使用人工智能(AI)的机器学习系统中，以确保未来的设计工作变得更加智能。
Bogomolny博士说:“设计阶段的人工智能引擎具有学习和启发式能力。“它创造了可重复性、准确性、标准，并能够通过可重复应用的系统流程来简化操作，从而允许自动化在开发输出过程中开始发生。”
超越制造执行
一旦一个组件通过了DfAM和模拟流程，它就可以自动转移到AMFG提供的制造执行系统。AMFG总部位于德克萨斯州奥斯汀，设计MES和工作流软件，使企业能够更容易地转向数字化制造。
AMFG软件管理加法或减法制造系统的生产。这包括自动调度、部件自动路由和管理所有3D打印机——包括海军或制造商的内部，以及可能需要的任何外部解决方案。
AMFG美国销售主管卢克•比尔曼(Luke Bierman)表示:“该系统将指导某些决策，比如根据特定需求、资源以及工作流中的任何复杂性，在哪里生产零件，从而有效地执行该项目。”
然而，它将超越这些制造系统的执行和管理。它还能够捕获数据驱动的见解，从开始的概念到现在已经验证或认证的组件的过程结束。
舒珀特解释说:“这是它的前沿，因为你可以从整个过程中获取数据，并不断改进这一部分。”“你不仅可以让它们变得更快、更高效，而且随着技术的进步，每个组件都可以轻松修改。”
该系统还可以捕获关于组件在整个生命周期中实际发生的情况的智能，称为产品生命周期管理(PLM)。这些数据将被用于创建一个数字双胞胎，这将为零件的设计和维护需求提供进一步的见解。
比尔曼说:“假设你有一个组件需要每四年更换一次。然后，该软件可以在维护开始之前安排打印和交付替换组件。所以，你可以看到这开始创造一个既主动又直观的智能行业。”
这些数据还可以通过最大限度地减少甚至消除供应链问题和对大量库存的需求，减轻目前美国国防部和国防后勤局(DLA)的沉重负担。
比尔曼说:“如果你能够在24小时内在世界任何地方执行组件，也许你就不会为了满足某种关键库存而生产和存储所有这些组件。”“现在你可以使用虚拟库存按需创建它们。”
检验和认证
质量、安全性和可追溯性也是这个新的集成系统的关键因素。对于国防部来说，部件在部署之前必须经过认证。
Bierman解释说:“每个部件都必须满足一定的要求，无论是航空航天的AS9100，汽车的IATF 16949，还是海军的认证部件。”“通过这个平台，我们可以验证该组件100%能够用于其应用程序。”
这一过程从零件制造出来就开始了，然后用工业CT扫描或激光扫描设备进行检查。该软件获取原始CAD文件，可以发现任何几何偏差，并自动推进或消除组件。当需要将非线性声学或波刺激(如MASER)作为检测方法时，这些功能可以进一步扩展。
所有的检验数据再次被处理回人工智能，在那里它能够学习如何在未来减少不合格部件的数量。
Shuppert说:“一旦获得认证，我们就可以将所有的元数据上传到认证组件的存储库中，这样就可以在全球任何符合这些要求的地点一致地执行，以相同的流程执行。”
这个数据分析库不仅可以应用于海军的未来项目，还可以应用于整个军事供应链。
这一战略的最终目标是在整个过程中优化网络安全保护。这要求数字制造接口遵守海军要求的任何网络安全成熟度模型认证(CMMC)级别，最高可达v级。国防部还希望提高其数字数据和网络连接的安全性。作为该计划的一部分，数字双胞胎技术将用于验证和防止篡改国防部的数字供应链。
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