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增材制造数字孪生平台中的工艺结构性能一体化建模1

增材制造数字孪生平台中的工艺结构性能一体化建模

增材制造数字孪生平台中的工艺结构性能一体化建模

摘要

本报告旨在系统性地阐述构建增材制造数字孪生平台中“工艺结构性能”一体化建

模的理论框架、技术路线与实施方案。增材制造（AM），作为第四次工业革命的代表性

技术，正深刻重塑全球制造业格局。然而，其“黑箱”式的制造过程导致了产品质量不稳

定、研发周期长等核心挑战。数字孪生（DT）技术为解决这一难题提供了全新的范式，

通过构建与物理实体实时映射的虚拟模型，实现对制造过程的精准预测、监控与优化。

本报告的核心论点是，当前增材制造数字孪生的应用多集中于几何层面的可视化与监

控，缺乏对工艺参数、微观结构演变及最终宏观性能之间内在物理机理的深度一体化建

模，这限制了其预测精度与优化能力。为此，本报告提出了一套完整的PSP一体化建

模解决方案，涵盖了从多物理场耦合仿真、数据驱动模型构建到闭环反馈优化的全链条

技术体系。报告首先分析了国内外政策导向与行业发展需求，明确了研究的战略意义；

其次，深入诊断了现有增材制造数字孪生技术在数据孤岛、模型割裂、计算效率等方面

的瓶颈；在此基础上，构建了以材料基因工程思想为指导，融合第一性原理、有限元分

析、相场法及机器学习等方法的跨尺度理论框架；随后，详细设计了包含工艺建模、结

构演化、性能预测、数据中台和闭环控制五大核心模块的技术路线与分阶段实施方案；

并对项目的资金预算、经济效益、潜在风险及保障措施进行了量化分析与规划。预期成

果将是一个具有高保真度、实时性与自优化能力的增材制造数字孪生平台原型，能够显

著提升产品一次成型合格率，缩短研发周期，为我国在高端制造领域的自主创新与产业

升级提供关键技术支撑。本报告力求内容系统化、逻辑严密、数据详实，为相关领域的

科研立项、技术研发与产业应用提供一份具有前瞻性与可操作性的战略蓝图。

1.引言与背景

1.1增材制造技术的革命性影响与核心挑战

增材制造，俗称3D打印，是一种基于离散堆积原理，通过逐层增加材料来构造三

维实体的颠覆性制造技术。与传统减材制造（如车、铣、刨、磨）相比，AM技术在实

现复杂结构一体化成型、缩短产品研发周期、个性化定制以及材料节约方面展现出无与

伦比的优势。据《全球增材制造市场报告2023》数据显示，全球AM市场规模在2022

年已达到约180亿美元，并预计在2030年突破1000亿美元，年复合增长率超过20%。

在航空航天、生物医疗、汽车模具等高精尖领域，AM技术已被广泛应用于制造轻量化

结构件、定制化植入物、复杂冷却通道等传统工艺难以完成的零部件。然而，AM技术

的巨大潜力远未被完全释放，其核心挑战在于制造过程的复杂性与不确定性。以金属激

光粉末床熔化（LPBF）为例，其工艺过程涉及激光与金属粉末的瞬态（微秒级）相互

作用，引发极高的温度梯度（106107K/m）和冷却速率（105107K/s），导致熔池内复杂

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的传热、流体流动及相变现象。这些极端物理条件直接决定了凝固后的微观组织（如晶

粒形貌、尺寸、取向），并最终影响零件的宏观力学性能（如强度、韧性、疲劳寿命）。

目前，工艺参数的选择仍高度依赖“试错法”，不仅耗费大量时间与材料成本，而且难以

保证产品性能的一致性与可靠性，这已成为制约AM技术从“原型制造”走向“批量生产”

的关键瓶颈。

1.2数字孪生技术的兴起与内涵

数字孪生概念最早由美国密歇根大学教授MichaelGrieves于2002年针对产品生

命周期管理（PLM）提出，其核心思想是为物理世界的实体或系统创建一个动态更新

的、高保真的虚拟副本。随着物联网、大数据、人工智能（AI）等技术的飞速发展，数字

孪生已从概念走向实践，并成为工业4.0和智能制造的基石。一个完整的数字孪生系统

通常包含五个维度：物理实体、虚拟模型、数据连接、服务应用和孪生数据。物理实体

是现实世界的设备或系统；虚拟模型是其几何、物理、行为和规则的数字化表达；数据

连接负责实现物理与虚拟之间的实时双向数据交互；服务应用则面向不同的业务需求，

如监控、诊断、预测和优化；孪生数据是贯穿整个系统的核心资产，包含了物理传感数