對於科研界而言，德國Fraunhofer（弗勞恩霍夫）應用研究促進機構的存在神秘卻又觸手可及，一邊是Fraunhofer不顯山露水的低調，另一邊是其專利技術滲透到我們生活的方方面面，就拿3D打印行業來說，主流的粉末床選擇性激光熔化技術就來自於Fraunhofer應用研究促進機構，我們所熟知的業界主流金屬3D打印設備用的無一不包含來自Fraunhofer的專利授權。
Fraunhofer的發展本身像一部推進科技改變生活的寫實畫卷，同時也見證了科技改變生活的神奇魅力。3D打印是一門跨界的技術，涉及到機械、激光、材料、數據、感應器監測、數字孿生、後處理、檢測、人工智能、工業互聯網等方方面面，隨著3D打印的發展，Fraunhofer作為一個研究領域極其交叉和跨界的龐大的有機組織將為世界的創新發展注入更多的能量。
Fraunhofer如何賦能3D打印等現進製造技術？本期，3D科學谷特別與谷友分享Fraunhofer旗下72家研究所中的一家Fraunhofer IPT生產技術研究所，從中一起領略強大的歐洲製造背後，年研發經費超過150億的Fraunhofer如何發揮中堅力量並不斷的與時俱進，預見未來！
Fraunhofer IPT生產技術研究所
與時俱進，預見未來
Fraunhofer IPT生產技術研究所的中心任務是將當前的研究結果直接轉移到工業實踐中。因此，Fraunhofer IPT不僅將研究工作集中在工業適用的生產技術上，而且在過程技術、生產設備、生產質量和測量技術以及技術管理領域提供大量技術產品和服務。Fraunhofer IPT在9000平方米的工作空間中通過460多名員工為業界提供了跨越競爭的研究項目，其中的5000平方米是實驗室和機房。
Fraunhofer IPT的主要研究領域包括：工藝技術、生產設備、生產質量與測量技術、技術管理。
1. 工藝技術方面，Fraunhofer IPT的研究領域涵蓋了精加工和光學、高性能加工、激光材料加工、渦輪機械技術、水射流加工和電火花、製造流程部門。
1.1Fraunhofer IPT的“精密加工和光學”部門研究和開發用於製造和加工精密零件的技術。憑藉“精密加工和光學”部門的專業知識以及最新的機器和軟件技術，“精密加工和光學”部門致力於整個流程鏈中的問題-從工具設計到製造過程的設計和仿真，再到原型生產。“精密加工和光學”部門的技術組合包括自動精細加工、金剛石切割、超精密研磨、拋光、微結構和納米結構以及高精度玻璃光學器件的壓制。
其中已經完成的眾多業界經典項目中，包括開發智能、可擴展的生產平臺，用於生產玻璃製成的微光學組件；與中小型企業集成工藝鏈，以經濟高效的方式製造複雜的玻璃光學組件；開發用於鑄造渦輪葉片自適應磨削的機器人單元等，當前的研究項目還包括複雜生產工藝和產品的自適應進化，使用晶圓級玻璃成型的高效光纖等。
Fraunhofer IPT生產技術研究所精加工和光學部門研究領域
1.2Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門為整個過程鏈的加工開發技術和麵嚮應用的解決方案-從過程設計和生產過程中的實時數據採集到諮詢和原型生產。“高性能加工”部門以全面而有針對性的方式處理具有技術知識，仿真、數字孿生、系統能力和現代機械的研發項目；“高性能加工”部門利用數字化的可能性來加深對流程的瞭解並確保競爭力。“高性能加工”部門的經典研究主題包括多軸銑削和車削由超級合金、高硬鋼、輕質和複合材料以及特殊材料製成的幾何形狀苛刻的零件。
Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門已經完成的眾多業界經典項目中，包括針對重型TiAl低壓渦輪葉片的量身性能定製的創新制造技術；靈活的機電夾緊繫統，通過主動減振對銑削過程進行自優化；基於軟件的NC程序優化等。當前的研究項目包括歐洲5G工業園-開發建立研究生產中的5G基礎設施獲得了強大的市場關注。
視頻：歐盟資助的歐洲最大的5G工業園項目
其他當前的研究項目包括用於航空變速箱的緊湊型和輕型齒輪生產的創新工藝鏈，AdaptCAD-使用機器和過程數據修改三維CAD模型；AdPro-自由形式，可生物吸收的鎂顱骨植入物的增材製造和全自動後處理；5GSensPRO-用於生產中監控的基於5G的傳感器；EVOLOPRO-複雜生產工藝和產品的進化自適應等。
Fraunhofer IPT生產技術研究所高性能加工部門研究領域
AdaptCAD項目是為了解決建模過程與加工過程的偏差，通過收集的數據用於機器仿真，以虛擬生成工件的實際幾何形狀。然後，工件的數字雙胞胎可供生產計劃人員用於計劃進一步的生產步驟。同時，通過在精確的數據基礎上計劃生產程序，可以最大程度地減少製造錯誤，從而可以更可靠地計劃流程鏈，並減少浪費，減少成本。
值得注意的是，Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門的AdPro聯合項目的目的是以頭骨植入物為例，設計和開發鎂制生物可吸收植入物的製造工藝鏈。該過程鏈包括使用粘合劑噴射法對植入物進行增材製造，以及隨後使用銑削進行後處理。
而Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門的“ IDEA-數字工程和增材製造的工業化”研究項目的是使基於粉末床的激光熔化工藝適合批量生產。為了解決用於增材製造的部件的製造過程仍然非常耗時且昂貴的痛點，針對當前各個加工過程步驟在很大程度上彼此隔離並且涉及大量的人工干預。因此，將增材製造中的工藝步驟聯繫起來，具有節省時間和降低製造成本的巨大潛力。Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門通過整個生產線的數字雙胞胎，通過過程仿真，目的將製造過程的產品成本以及開發和生產時間將減少約50％。最重要的是，通過有效地耦合硬件和軟件激發過程巨大的潛力。
1.3在“激光材料加工”部門，Fraunhofer IPT開發並測試了各種基於激光的工藝，以有效地將“激光束”工具整合到價值鏈中。
已完成的經典項目包括TopCladd-自適應激光沉積焊接的焊縫特徵；RoboTex-使用更高效的製造系統進行大面積激光結構化；ToolRep-創新的系統技術開發，用於結構化模具嵌件的自動化和基於激光的修復等。正在進行的項目包括MatLaMeD-混合激光熔覆新工藝的開發等。
Fraunhofer IPT生產技術研究所激光材料加工部門研究領域
1.4Fraunhofer IPT的“渦輪機械技術轉讓”部門填補了渦輪機械行業與研究之間的鴻溝。
1.5Fraunhofer IPT的“水射流加工和電火花”部門開發針對不同應用的新方法，以最大程度地減少邊緣區域的損壞，延長組件壽命並同時具有成本效益地進行製造。
其研究領域包括：可行性研究、過程鏈的集成、新的應用領域、採集、利用過程數據、基於仿真的過程設計等。
Fraunhofer IPT生產技術研究所水射流及電火花部門研究領域
1.6Fraunhofer IPT的“製造流程”部門為工業和研究領域的許多獨立技術，過程和生產工廠開發解決方案，以將非常規制造過程集成到現有過程鏈中。Fraunhofer IPT的“製造流程”部門幫助市場進行可持續生產的投資計劃。在小批量和一次性生產（主要在工具製造中）方面，Fraunhofer IPT的“製造流程”部門還支持公司實施自動化解決方案。
Fraunhofer IPT生產技術研究所製造流程部門研究領域
2.生產設備方面，Fraunhofer IPT的研究領域涵蓋了精密工程與自動化、纖維複合材料和激光系統技術。
2.1 Fraunhofer IPT生產設備領域的“精密工程”部門，是微米和納米範圍內高精度和最小公差的合格合作伙伴，Fraunhofer IPT為高精度應用開發特殊的機器和系統。為了能夠有效地建立各個系統並靈活地設計工業生產，“精密工程”部門推動模塊化機器概念的發展。
“精密工程”部門已完成的經典項目包括：ERANET-OPTICALSTRUCT-混合光學器件的自由曲面微結構化的機器和工藝開發；AutoMiPro-通過高度靈活的物料流技術實現微型生產變化的物流概念；EPSIS-通過集成結構的傳感器實現能源效率和精度；HiTecMass-高效生產微光學高科技模塊；ePiTec-通過智能技術進行高效的光子學生產等。正在進行的項目包括EVOLOPRO-複雜生產工藝和產品的進化自適應；EverPro-光學生產系統的高效聯網等。
Fraunhofer IPT精密工程部門研究領域
2.1Fraunhofer IPT生產設備領域的“纖維複合材料和激光系統技術”部門開發用於高性能材料和激光系統的專用機器。包括開發用於纖維複合材料技術的生產機器，並促進纖維複合材料生產的自動化。憑藉Fraunhofer IPT在激光系統技術方面的專業知識，“纖維複合材料和激光系統技術”部門通過模塊化添加激光系統來優化常規系統和機器-例如用於鈑金加工。
正在進行的項目包括Bio-FML-開發和製造可持續的纖維金屬層壓板；C³-ColdCureComposites-纖維增強的輕質組件，採用新的基體材料；BioStrukt-通過經濟生產具有轉向纖維的結構優化的輕量化組件來實現仿生輕質結構等。
3.生產質量與測量技術方面，Fraunhofer IPT的研究領域涵蓋了生產質量與生產計量技術。
3.1Fraunhofer IPT的生產質量板塊包括生產數據、資料分析、基於數據的決策、生產組織、數字化轉型、風險與質量管理等業務方向。
3.1.1 生產數據方面，包括硬件與軟件系統、接口與連接、數據整合與數據結構、生產中的IT安全。
3.1.1.1硬件與軟件系統方面，憑藉多年的製造技術經驗和完善的方法，Fraunhofer IPT為聯網和同步的過程鏈選擇了合適的機器和測量技術。與各種軟件系統的連接為始終可用的產品，訂單和質量數據奠定了基礎。在機器上集成合適的傳感器有助於實時收集過程數據。高效的接口加速了不同系統，機器和測量設備的通信。基於完整的數據庫和有關生產的實時信息，可以確保無錯誤且高效的生產過程。
其中Fraunhofer IPT參與開發了創新的電池技術，致力於研究與生產相關的新型電池組概念及其應用。Fraunhofer IPT與來自工業和科學領域的五個合作伙伴合作，共同研究項目“ FlyGO”，以開發新的概念和系統，以降低燃料電池以前的高生產成本，推動新的氫電驅動器進入市場，進入批量生產，為大型汽車和飛機提供低成本燃料電池技術。
3.1.1.2接口與連接方面，Fraunhofer IPT認為從價值創造過程中獲取正確的數據並按需且幾乎實時地將其提供用於分析是智能化製造的必然，特別是在對質量至關重要的監視和控制過程中。為此，必須根據情況分析生產通信系統必須滿足的要求，例如在等待時間，可靠性或數據吞吐量方面。業界經常需要面對的問題例如是否可以使用有線傳感器獲取和傳輸數據，還是應該使用諸如未來5G電信標準之類的無線技術。Fraunhofer IPT支持公司確定其參與者和生產系統之間的通信要求。根據傳輸要求，分析過程監控和改進相關的數據。
此外，Fraunhofer IPT還可以確定在生產中使用可靠的通信技術可以開發出哪些創造價值的潛力。Fraunhofer IPT在接口與連接方面的服務包括關於通信系統要求的生產過程分析（例如，延遲，數據吞吐量），生產中使用通信系統的潛力分析。
3.1.1.3Fraunhofer IPT“數據整合和數據結構”業務致力於通過數字雙胞胎實現數據一致性，Fraunhofer IPT多年來一直致力於製造過程鏈中的數據一致性，研究活動的重點之一是數字孿生。一方面，此概念包括在流程鏈以及跨公司價值創造網絡中以及整個產品生命週期中創建數據一致性，另一方面，它包括將數據庫用於預測性維護或實時流程優化等應用程序。Fraunhofer IPT“數據整合和數據結構”部門的服務包括流程鏈和跨公司價值網絡中數據一致性的概念；研究基於數據的項目的數據準備，例如預測性維護，實時過程優化或數字孿生。
3.1.1.4Fraunhofer IPT“生產中的IT安全”業務的服務包括評估公司的IT安全級別並分析IT安全的潛力和風險；識別對安全至關重要的信息和數據流；量身定製的IT概念等
3.1.2資料分析方面，包括AI人工智能、數據質量與數據預處理、 數據驅動的建模、工藝優化與使用
3.1.2.1與Fraunhofer數據AI聯盟的其他研究所一起，Fraunhofer IPT為製造業公司提供了將人工智能研究領域的專門知識帶入工業實踐的機會。為此，研究人員在一個跨學科的網絡中還開發了“ AI Kick-Starter Bundle”。
3.1.2.2數據預處理的結果是一個準備好的數據集，可用於統計數據分析和機器學習。由於自動化機器學習的當前發展，需要對數據預處理的自動化進行大量的工作。Fraunhofer IPT研究在生產環境中使用自動化數據預處理的方法，以加快以前的手動數據預處理的速度，並減輕數據科學家將來在這些單調任務中的負擔。Fraunhofer IPT的服務包括數據質量檢查以評估公司的數據質量，並制定路線圖以提高數據質量；實施可重用的數據預處理管道以實現公司中數據的標準化準備，使員工能夠開發自己的數據預處理管道。
3.1.2.3生產中的數據驅動建模
數據的連續使用為生產帶來了深遠的優化潛力。由於產品個性化的增加，例如識別波動的質量參數的經典方法正達到其極限。使用機器學習和人工智能等新技術對數據進行系統的跨流程分析，可以進一步改善流程和產品。這樣，過程和產品數據可以專門用於預測性維護，過程優化或預測質量，並有助於避免機器停機，縮短交貨時間並提高過程和產品的質量。
- 混合建模
為了進一步改善數據驅動的建模，Fraunhofer IPT正在研究各種建模策略及其可能的組合（灰色框建模）,以巧妙的組合不同建模策略的優點。Fraunhofer IPT正在研究將物理模擬（白盒建模）和數據驅動的方法（黑盒建模）相結合的方法，以期激發建模在生產中的應用潛力。
- 建模過程的自動化
諸如AutoML之類的新的機器學習方法有助於很大程度上自動地創建機器學習模型。目的是提高機器學習的可訪問性，並使未經機械培訓的用戶（例如通過自動數據處理或有針對性的算法和超參數選擇）無需培訓就更容易上手。但是，僅建模不足以充分利用數據驅動方法的潛力。Fraunhofer IPT開發實用的優化策略，通過結合建模和對公司流程和產品的現有知識的使用來支持新知識的獲取。
3.1.3基於數據的決策方面，Fraunhofer IPT的業務範圍包括：信息合規、靈活的過程控制與調節、自適應決策支持、自主決策。
3.1.3.1信息合規，今天的生產需要將來自ERP，ME和CAQ系統等不同來源的數據合併（鏈接到數據集成和數據結構），以及將數據準備（鏈接到AI用例選擇）到可用信息，構成了提供信息的基礎。人機工程學和直觀的用戶指南在這裡特別重要，通常會通過虛擬化或增強現實等新的可視化選項進行補充。Fraunhofer IPT的服務包括系統地識別信息缺陷和程序缺陷；分析現有IT基礎架構以集成新的解決方案以提供信息；信息系統的概念設計；原型實施和概念解決方案的驗證。
3.1.3.2靈活的過程控制與調節，Fraunhofer IPT正在研究和開發新的製造和裝配概念，以實現靈活的過程控制和調節。重點是網絡物理，自我優化和自由互連的生產系統，這些系統可對不斷變化的框架條件做出自適應反應。系統的模塊化和可重新配置性與智能過程控制相結合，可有效地生產小批量至單件的產品。Fraunhofer IPT的服務包括研究靈活的過程控制和法規、開發新的製造和裝配概念、開發基於數據的過程控制系統、開發信息提供和決策支持系統。
3.1.3.3自適應決策支持，現今的生產要求在發生不同事件時必須立刻做出決定，例如突然的機器故障或新的，時間緊迫的生產訂單。為了獲得迅速決定的可能性，必須首先分析生產的實際狀態。為此，需要將來自各種來源（例如來自ERP，MES和CAQ系統的來源）的數據彙總在一起並進行處理。諸如決策樹之類的固定算法現在可以自動為決策制定人員提供各種建議，以響應已發生的事件。Fraunhofer IPT的服務包括：識別和正式化相關事件、識別和分析決策中的影響因素，並與先前的數字化狀態進行比較（數據可用性和質量，數據的標準化和頻率）、自動自適應決策支持的概念、原型實施和驗證。
3.1.3.4自主決策，自主決策是基於數據的決策中最進步的方面：基於歷史數據和對未來事件的預測，自主代理獨立執行為先前定義的目標服務的動作。理想情況下，生產系統獨立運行，並對出現的干擾立即做出反應。與人為決定相比，可以更好地利用機會，更快地規避風險。Fraunhofer IPT的服務包括：針對不同生產過程的自主決策代理的構想，研究項目中處方分析方法的開發。
3.1.4生產組織方面，Fraunhofer IPT的業務範圍包括：生產計劃與控制、精益生產、工藝優化與自動化。
3.1.4.1生產計劃與控制，工業4.0的最重要目標之一是生產中的高度靈活性：甚至可以在短時間內將複雜的，針對特定客戶的生產訂單加載到正在進行的生產中，並按計劃完成。機器和手動工作場所可以在車間自動配置，轉換甚至移動。為了能夠在生產計劃和控制中體現這種靈活性，必須提供複雜的過程和軟件解決方案。Fraunhofer IPT為這一艱鉅任務提供解決方案-從需求分析到軟件演示者的構思和開發。Fraunhofer IPT的的服務包括分析用於公司生產計劃和控制的流程和IT解決方案，確定未來流程的要求，推導新的計劃和控制策略以及必要的軟件支持，軟件演示器的開發和仿真的實現。
3.1.4.2精益生產，Fraunhofer IPT伴隨著公司的精益生產，從生產和過程分析到確定優化潛力，重點是單個生產線和整個工廠。生產佈局和生產過程中的優化可以進行三維設計，甚至可以模擬。Fraunhofer IPT的服務包括分析生產和過程，以提高效率；創建流程以利用這種潛力（例如避免浪費，標準化流程，建立流程原則並調整生產佈局；精益生產的3D設計和仿真；制定項目路線圖以系統地執行開發概念。
3.1.4.3工藝優化與自動化，Fraunhofer IPT與客戶一起不僅分析了他們將來可以利用的優化和自動化潛力，而且還提出了集成新技術的可行方案。Fraunhofer IPT的服務包括：分析現有流程和製造技術，並得出優化潛力、篩選可用於工藝優化和自動化的技術、將新技術集成到現有生產中的概念創建、通過確定成本效益比進行比較、概念的3D建模和仿真、制定項目路線圖以系統地執行已開發概念。
3.1.5數字化轉型方面，Fraunhofer IPT的業務範圍包括：工業4.0戰略路線圖、技術選擇與實施、商業模型開發與商業案例。
3.1.6風險與質量管理方面，Fraunhofer IPT的業務範圍包括：風險管理、質量管理、認證與審核。
3.2Fraunhofer IPT的生產計量技術部門負責處理生產過程中與計量有關的所有問題以及製造公司的所有質量保證措施。Fraunhofer IPT的生產計量技術部門為汽車工業，機械和工廠工程或航空航天以及醫療和生物技術開發解決方案。為此，Fraunhofer IPT擁有現代測量系統的大量設備，不僅可以檢查並確保聯合項目結果的質量，而且可以與合作伙伴和測量技術提供商一起優化和進一步發展。
Fraunhofer IPT的服務包括：自動化測量技術（自動圖像處理、高速顯微鏡），工業流程數字化（柔性生產系統、生產中的5G技術、集成），在線激光過程控制（短相干干涉法、彩色共聚焦傳感器、激光誘導等離子體分析、激光材料加工過程監控），實驗室自動化，生物醫學影像（光學相干斷層掃描、偏振敏感OCT、全場光學相干斷層掃描），光學檢查，光纖（輕量化組件的結構監控，光纖傳感器），平版印刷（雙光子聚合、干涉光刻），測量和設備構造。
Fraunhofer IPT生產計量技術部門研究領域
4. 技術管理方面，通過系統的技術管理，公司想獲得競爭力必須及時識別技術機會和風險並制定定製的反應策略。為此，必須以適當的方法來支持技術管理的各個方面，例如技術策略，技術早期發現，技術評估和技術開發，並通過適當的結構將其固定在公司中。Fraunhofer IPT為技術管理的所有問題開發量身定製的解決方案-從概念到戰略，流程和方法的內容。
2015年9月，ACAM亞琛增材製造中心有限公司的奠基儀式在亞琛舉行，這是基於Fraunhofer IPT生產技術研究所、Fraunhofer ILT激光技術研究所、亞琛工業大學等工業研究領域成員的合作。
視頻：ACAM：為探索增材製造的複雜潛能導航
ACAM致力於為製造企業提供一站式的增材製造專業技術，成立以來積累了不同先進科研領域的專業知識，並通過提供聯合研發、諮詢、專業技術培訓和教育服務、軟件和系統工程以及定製服務，幫助企業應對增材製造技術在應用中的挑戰。部分ACAM的合作對象包括舍弗勒、Danfoss、GKN、GE Additive、林德集團、歐瑞康、大隈、Stratasys、大眾汽車及豐田汽車等。
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