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面向增材制造的数字孪生数字孪生数据标准化框架研究1

面向增材制造的数字孪生数字孪生数据标准化框架研究

面向增材制造的数字孪生数据标准化框架研究

摘要

本研究旨在构建面向增材制造（AdditiveManufacturing,AM）领域的数字孪生数

据标准化框架，以解决当前AM产业链中数据异构、信息孤岛和协同效率低下等关键

问题。通过系统分析国内外AM数字孪生技术发展现状，结合国家智能制造发展战略，

提出了一套包含数据采集、传输、存储、处理和应用全生命周期的标准化体系。研究采

用理论分析与实证验证相结合的方法，构建了基于ISO/IEC30141和ISO23247标准

的AM数字孪生数据模型，并设计了分层架构的标准化框架。该框架包含物理层、数

据层、服务层和应用层四个维度，定义了20项核心数据标准和15项交互协议。通过

在航空航天、医疗植入物和汽车零部件等领域的应用验证，表明该框架可提升AM生

产效率23%35%，降低质量缺陷率18%27%。研究成果将为我国AM产业数字化转型提

供重要技术支撑，对推动制造业高质量发展具有战略意义。

引言与背景

1.1研究背景与意义

增材制造作为第四次工业革命的核心技术之一，正在深刻改变传统制造业的生产模

式和产业生态。根据《中国增材制造产业发展报告（2023）》数据显示，2022年我国AM

产业规模已达350亿元，同比增长28.6%，预计2025年将突破1000亿元。然而，随着

AM技术向复杂化、精密化和规模化方向发展，数据管理问题日益凸显。据中国机械工

程学会调研，目前AM企业因数据不兼容导致的效率损失平均占生产成本的15%20%，

严重制约了产业高质量发展。

数字孪生技术通过构建物理实体的虚拟映射，为AM全生命周期管理提供了创新

解决方案。但现有研究多集中于特定环节的数字孪生应用，缺乏系统性的数据标准体

系。本研究提出的标准化框架将填补这一空白，对提升AM产业链协同效率、降低生

产成本、增强质量管控能力具有重要意义。同时，该研究响应了《“十四五”智能制造发

展规划》中”推动数字孪生等新技术在制造业深度应用”的战略部署，符合国家产业政策

导向。

面向增材制造的数字孪生数据标准化框架研究2

1.2国内外研究现状

国际上，美国、德国等制造强国已率先开展AM数字孪生标准化研究。美国国家

标准与技术研究院（NIST）于2021年发布了《增材制造数字孪生框架指南》，提出了

基于STEP标准的AM数据交换协议。德国工业4.0平台则将AM数字孪生纳入”工业

4.0组件”标准体系，开发了基于OPCUA的通信协议。据《全球增材制造标准化发展

报告》统计，截至2023年，国际标准化组织（ISO）已发布AM相关标准87项，其中

涉及数字孪生的仅12项，标准化程度明显不足。

国内方面，中国增材制造产业联盟2022年发布的《增材制造数字孪生应用白皮书》

指出，我国AM企业数字孪生应用率仅为32%，且多停留在设备监控层面。清华大学、

西安交通大学等高校虽开展了相关研究，但尚未形成系统化的标准体系。本研究将在借

鉴国际经验基础上，结合我国AM产业特点，构建具有自主知识产权的标准化框架。

1.3研究内容与目标

本研究主要内容包括：AM数字孪生数据特征分析、标准化框架设计、核心标准制

定、验证平台搭建和应用示范。具体目标为：1）建立AM数字孪生数据分类体系；2）

设计包含4层架构的标准化框架；3）制定35项关键数据标准；4）开发支持多源数据

融合的中间件平台；5）在3个典型行业完成应用验证。

通过上述研究，预期实现：1）AM数据交换效率提升40%以上；2）跨平台协同成

本降低25%；3）形成国家标准草案23项；4）培养专业技术人才50名以上。这些成果

将显著提升我国AM产业的数据治理能力和国际竞争力。

政策与行业环境分析

2.1国家政策支持

近年来，我国密集出台支持AM和数字孪生发展的政策文件。《中国制造2025》

明确将AM列为重点发展领域，《“十四五”智能制造发展规划》提出”加快数字孪生等

新技术创新应用”。2023年，工信部等五部门联合发布的《增材制造产业发展行动计划

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