亚琛工业大学在《自然》杂志上发表的一项新研究，提出了一种互联化、数字化的电弧增材制造方法，展示了信息物理系统如何在实践中贯彻工业4.0原则。该研究引入了一个三层框架——工件层、装配层和产品层，用以构建数据、安全及利益相关方在制造网络中的交互模式。通过基于数字影子的数据驱动质量控制，研究团队成功将焊接烟尘排放降低了12%至40%，展现了网络化生产如何提升工艺质量、安全性与能源效率。

电弧增材制造被ISO/ASTM 52900:2021标准定义为定向能量沉积工艺，其利用电弧熔化焊丝原料，形成近净成形金属部件。尽管该工艺本质上是数字化的，但其在实际中与互联制造系统的整合仍十分有限。亚琛工业大学的框架明确了三个层次各自独特的技术与安全要求。工件层处理毫秒级的高频数据采集，直接关系到产品质量与安全操作；装配层解决跨部门及合作伙伴间的数据互操作性问题，需要明确的角色定义与受控的数据访问权限；产品层延伸至供应链，数据的真实性、长期可用性及隐私保护机制成为决策的关键支撑。

每个层级都需要定制化的网络安全策略。在车间层面，强化的设备配置、身份验证协议以及凭证的非重复使用，降低了未授权访问的风险。在装配环境中，采用OPC UA和具备TLS加密的MQTT等"安全设计"通信协议，保护跨系统传输的工艺数据。在产品层面，联邦学习与安全多方计算等隐私保护计算方法，使制造商能在不泄露专有信息的前提下进行协作。这些措施符合IEC 62443、ISO/IEC 27001和NIST SP 800-82等工业网络安全框架，确保了互联生产网络中安全运行的持续性。

该研究的关键贡献在于通过数字影子实现了数据驱动的质量控制。数字影子是经过简化的流程模型，仅保留用于实时分析的关键参数，与计算更密集的数字孪生不同。该方法利用100kHz采样的传感器数据，并通过多元线性回归分析，实现了焊接工艺的自适应控制。实验采用气体保护金属极电弧焊，电压范围15-37伏特，电流范围190-410安培。比例-积分控制器通过机器人接口实时调整焊接参数，在保持几何精度的同时最小化烟尘产生。研究还从概念上探讨了模型预测控制作为未来闭环工艺优化的高级方法。

这一数字影子框架还与"全球实验室"相连接。WWL是"生产互联网"倡议下提出的数据共享基础设施，允许多个WAAM系统的数字影子集中存储、查询与分析，通过数据多样性提升模型精度。通过将独立制造单元与共享知识库相连，WAAM工艺可以从分布式学习与跨站点优化中获益，逐步迈向全球网络化信息物理系统的愿景。

与此前专注于材料特性或静态工艺参数的研究相比，这项工作将制造控制、数据基础设施与网络安全进行了整合。虽然过去在气体保护焊领域已有基于传感器的监测研究，但极少实现增材制造环境所需的闭环反馈。通过将过程建模、实时控制与标准化数据安全相结合，亚琛工业大学的框架展示了在工业级数字生态系统中，质量保证与安全性如何能够共存。

维持互联制造的安全需要持续适应。配置错误、过时的加密标准以及未受监控的系统仍是工业漏洞的主要原因。研究强调持续的风险重评估、操作员培训以及能够快速进行安全更新的模块化基础设施。鉴于制造设备的使用寿命往往长达数十年，长期维护密码完整性的能力对于实现韧性至关重要。

尽管大规模应用仍处于早期阶段，但此项研究为增材制造从孤立系统向以数据为中心、安全且智能的生产环境演进提供了切实可行的路线图。