什么是智能化

隨著科學技術的發展，人們對智能化越來越熟悉。所謂的智能化是指事物在網絡、大數據、物聯網和人工智能等技術的支持下， 所具有的能動地滿足人的各種需求的屬性。通俗的講， 就是在各種先進技術的加持下，讓那些沒有生命的設備具有人一樣的智慧，利用機器代替人工， “聽懂”人的指令，滿足人的要求。學術界和工業界對智能化的關注和追求長盛不衰。

什么是智能鑄造

當今信息技術發展迅猛，全球科技創新呈現出新的發展趨勢，世界主要國家都在尋找科技創新的突破口，搶占未來經濟科技發展的先機。德國發布了“工業4.0”戰略，成為整個國家的發展藍圖。面對科技創新發展的新態勢，我國提出“中國制造2025”，加快從制造大國向制造強國的跨越。“中國制造2025”的主線是工業化和信息化的融合，重點發展智能制造，促使制造業數字化、網絡化和智能化。

我國的鑄造行業，與發達國家相比，專業化程度低，集約化程度低，勞動生產率也較低。近幾年來，我國鑄造行業取得了長足的進步，但是大而不強，已經嚴重影響自主創新能力的提高。在當今這個大數據和“互聯網+”時代，傳統的鑄造企業和傳統的生產方式正在面臨嚴重挑戰，我國作為鑄造大國迫切需要鑄造智能化。隨著“工業4.0” 和“中國制造2025’’的提出，“智能鑄造”應運而生，其目標是實現鑄造各階段的自感知、自決策和自執行，體現在機器人、傳感器、數字化制造技術的普遍應用。

“智能鑄造”需要信息化與鑄造生產高度融合，主要包括智能鑄造技術和智能鑄造系統。智能鑄造技術包括數字模擬、 虛擬制造、機器人、 ERP等；智能鑄造系統是具有學習能力的大數據知識庫，能夠通過對環境信息和自身信息的對比分析而進行自我規劃、自我改善。

“智能鑄造”典型應用模式為“數字化鑄造廠”，“數字化鑄造廠”全部采用信息化手段管理生產流程、質量控制流程、財務流程、產品開發流程、人力資源管理培訓流程等所有內部流程，同時用信息化手段處理與供應商、與客戶的關聯流程。可以對整個生產過程進行模擬仿真和調控。在“數字化鑄造廠”里，基本消除了重體力勞動，環境清潔，同時生產效率和效益大幅度提高。

鑄造工藝成本估算系統的算法原理[1]

智能鑄造現狀

目前，鑄造企業信息化實力薄弱，國內自主研發軟件資金、技術、人員投入較少，自主開發商品化鑄造模擬軟件能力仍然很弱，軟件市場占有率不高，更缺乏世界影響力； 上下游企業信息集成與協同管控較少； 國內鑄造企業應用鑄造過程數值模擬軟件和快速鑄型鑄造技術不夠普及，生產質量數字化管控與 ERP 普及率仍有待發展；機器人應用很少，物聯網+等技術的應用剛剛開始，與國外先進鑄造企業還有很大的差距。在具備規模的鑄造企業中一般都購置了鑄造過程數值模擬軟件，在新產品開發中一定程度上采用模擬技術，模擬結果為新產品開發的工藝制定和優化發揮了一定的作用。隨著技術的進步，很多企業都使用了機械手或機器人，鑄造企業的造型、制芯、落砂等工序的設備已經實現了半自動化和自動化生產。整體上進入發展階段，且近幾年呈現蓬勃發展態勢。

智能鑄造技術

 (1)  數值模擬

近年來，我國鑄造模擬仿真技術在輕金屬材料鑄造成形方面的研究和發展勢頭強勁，在鋁、鎂合金鑄造及凝固過程宏/微觀建模與仿真研究、鑄件充型凝固過程微觀模擬方面取得重要進展。東北大學采用數值模擬對高壓壓鑄薄壁AlSi10MnMg縱向承重梁的澆注系統進行了優化[2]. 蘭州理工大學對Ai-Cu二元合金在定向凝固過程中晶粒競爭生長進行了相場模擬 [3]。

AlSi10MnMg合金高壓壓鑄工藝中經過優化的澆注系統模擬結果[2]

微觀模擬的尺度包括納米級、微米級及和毫米級，涉及結晶生核長大、樹枝晶與柱狀晶轉變到金屬基體控制等各個方面。另外，質量控制模擬正在向微觀組織模擬、性能及使用壽命預測的方向發展。中科院金屬所在研究復雜鎳基單晶鑄件時，采用Pro-cast 軟件對定向凝固過程中的溫度場分布進行了模擬[4]；河北工業大學在研究電極結構對M2高速鋼鋼錠電渣重熔工藝的影響的過程中，采用了有限元模擬分析，對渣池的流場和溫度場進行了分析[5]。

鎳基單晶鑄件定向凝固過程中的溫度場分布[4]

(2)  機器人

精準、高效是智能鑄造的典型特征，而機器人是“智能鑄造”理想的選擇也是必備生產裝備，在“數字化鑄造廠”里，機器人廣泛用于造型、制芯、澆注、清理等工序，與工人并肩合作或獨立完成工作。機器人是實現鑄造智能化的關鍵設備，制約鑄造行業機器人應用的關鍵因素在于其綜合成本，云端智能機器人編程系統，鑄造模塊化配件和軟件，智能傳感器及系統是實現鑄造智能化三大關鍵技術。

我國鑄造工廠智能化水平參差不齊，基于機器人應用的鑄造智能化是迫切需要，然而鑄造行業出現的量大、面廣或產品附加值高的鑄造智能化應用并不能在全行業推廣。實現鑄造智能化的關鍵設備機器人在鑄造行業普及推廣面臨的問題不是需求，也不是機器人的成本和價格，而是機器人在鑄造行業的綜合應用成本。

（3）快速成型設備

快速成型分為增材快速成型（或稱3D打印）和減材快速成型,兩種快速成型方式均具有無模具快速自由成形，復雜構件近凈成形以至凈成形，全數字化、高柔性，可實現多材料任意復合制造等特征。是新產品快速開發的有效工具，更是“智能制造”的必備生產設備。清華大學團隊結合模擬分析方法對3D打印砂型中氣孔的絕緣作用進行了研究[6]，此外，還采用3D打印制備鏤空鑄型實現了鋁合金鑄造過程的可控冷卻[7]

3D打印鑄型[6]

兩種不同的3D打印砂型[7]

（4）虛擬制造

虛擬制造是“數字化鑄造廠”提高生產效率的有效途徑之一，包括虛擬設計、虛擬檢驗、仿真分析等，通過“人腦+電腦”配合大數據資源，在正式生產前發現并解決產品的質量、成本、效率、關鍵參數等方面問題，進而大幅度提高生產效率和產品質量。目前這些虛擬制造技術在國內日益成熟。

智能鑄造的發展趨勢

人工智能技術的發展為生產數據與信息的分析和處理提供了有效的方法，尤其適合于解決特別復雜和不確定的問題，在鑄造過程的各個環節幾乎都可廣泛應用人工智能技術。專家系統技術可以用于工程設計、工藝過程設計、生產調度、故障診斷等，也可以將神經網絡和模糊控制技術等先進的計算機智能方法應用于產品配方、生產調度等，實現鑄造過程智能化。

在經濟轉型過程中，鑄造產業無疑將發揮基礎性的作用。近年來，有關中國鑄造產業未來發展將是智能化、服務化、品牌化、國際化。國內越來越多的鑄造企業開始大量引進自動化生產設備、技術，部分鑄造企業已經開始建設“數字化鑄造廠”或“智能鑄造車間”，在“十三五”期間將陸續投產使用。這些給都鑄造行業傳遞了一個發展趨勢：智能化方式進行生產正在逐步取代傳統的生產方式。

助力智能鑄造，促進鑄造企業轉型

目前，中國鑄造行業正處于發展的關鍵時期，環保治理持續亮劍，已經讓很多傳統的鑄造企業停業整頓。為了讓中國傳統鑄造企業盡快完成轉型升級,各企業可以立足于每年舉辦的“中國鑄造活動周及鑄造工業展”的專業服務平臺，通過各種大型會議和展覽服務，為同行企業提供所需的先進技術、管理經驗、國外市場開發、供需對接、以及高校與政府資源為一體的綜合性鑄造行業服務平臺，并提供豐富多彩的現場活動，助力各企業轉型升級。