RWTH 亚琛大学在《Nature》发表最新研究，提出面向工业 4.0 的数据驱动 WAAM（金属电弧增材制造）框架，通过数字影子实现实时质量控制，焊接烟尘减少 12–40%。研究构建 “工件—装置—产品” 三层结构，覆盖数据互联、网络安全与供应链协作，采用 OPC UA、MQTT、联邦学习等技术确保安全可靠。该框架推进 WAAM 从独立制造单元迈向高度数字化、智能化、可追溯的金属 3D 打印生产模式。
来自亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的一项新研究发表在《Nature》上，呈现了一种面向电弧增材制造（WAAM）的互联与数字化方法，展示了网络物理系统如何在实践中实现工业4.0的理念。研究引入了一个由“工件层、装置层、产品层”组成的三层框架，用于结构化制造网络中的数据、安全性和各利益相关方之间的交互方式。通过基于数字影子的数据驱动质量控制，研究团队实现了12–40%的焊接烟尘排放减少，证明了网络化生产如何提升工艺质量、安全性和能源效率。
根据 ISO/ASTM 52900:2021 标准，WAAM被定义为一种定向能量沉积（DED）工艺，使用电弧将焊丝熔化为近净形金属部件。尽管这一工艺本质上具有数字化特性，但在现实中的互联制造体系中，其集成程度仍然有限。亚琛工业大学的框架识别了三个层级中不同的技术与安全需求：工件层处理毫秒级的高频数据采集，直接影响产品质量与安全操作；装置层关注部门间及合作伙伴之间的数据互操作性，需要明确角色定义与受控数据访问；产品层延伸到供应链，在此数据的真实性、长期可用性以及隐私保护机制对于决策至关重要。
不同工艺层涵盖了不同的时间维度，并涉及多个参与方。（图源：Nature）
每一层都需要定制的网络安全策略。在车间层面，通过强化设备配置、认证协议以及避免凭证重复使用等方式，可降低未授权访问的风险。在装置层，诸如 OPC UA 与基于 TLS 的 MQTT 等安全设计的通信协议，可保护跨系统传播的工艺数据。在产品层，联邦学习、 安全多方计算等隐私保护计算方法使制造商能够在不暴露专有信息的情况下进行协作。这些措施与 IEC 62443、ISO/IEC 27001 和 NIST SP 800-82 等工业网络安全框架保持一致，确保互联生产网络在持续安全运行中的稳定性。
该研究的核心贡献在于实施了基于数字影子的质量控制。数字影子是一种精简的过程模型，仅保留实时分析所必需的参数，与计算量更大的数字孪生不同。这种方法使焊接过程的自适应控制成为可能：传感器以100 kHz 采样率收集数据，结合多元线性回归进行分析。实验平台使用气体金属电弧焊（GMAW），电压范围为15–37伏，电流为190–410安。比例-积分（PI）控制器通过机器人接口实时调节焊接参数，在减少烟尘的同时保持几何精度。研究还概念性地讨论了模型预测控制（MPC）作为未来闭环优化的潜力。
产品流程涉及不同参与方及其产品，直到最终商品的生产。（图源：Nature）
这一数字影子框架也连接至“World Wide Lab（WWL）”，这是“生产互联网”倡议下提出的数据共享基础设施。WWL允许来自多个WAAM系统的数字影子统一存储、查询与分析，通过数据多样性提升模型精度。通过将单个制造单元连接至共享存储库，WAAM工艺可从分布式学习和跨站点优化中获益，向着全球互联的网络物理系统愿景迈进。
与此前主要关注材料性能或静态工艺参数的研究相比，此工作将制造控制与数据基础设施及网络安全结合起来。之前的气体金属电弧焊研究已建立了基于传感器的监测，但很少实现增材制造环境所需的闭环反馈。通过融合过程建模、实时控制和标准化的数据安全，亚琛工业大学的框架展示了如何在工业级数字生态系统中使质量保证与安全性共存。
根据 Jodelbauer 的观点，WAAM 的网络化产品质量。（图源：Nature）
在互联制造中保持安全性需要持续适应。配置错误、过时的加密标准以及未监控的系统仍是工业漏洞的主要来源。该研究强调持续风险重新评估、操作人员培训，以及具备快速安全更新能力的模块化基础设施的重要性。鉴于制造设备通常服役数十年，长期维持加密完整性的能力对于韧性至关重要。
尽管广泛应用仍处于早期阶段，这项研究为增材制造从孤立系统迈向数据中心化、安全且智能的生产环境提供了一条清晰的路线图。
