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雙劍合璧：融合增材制造與常規(guī)制造

西門子全新軟件能夠讓增材制造工藝與常規(guī)制造工藝*實現(xiàn)雙劍合璧，從而使為大眾市場生產(chǎn)個性化產(chǎn)品成為可能。

西門子已將增材制造整合到其面向產(chǎn)品研發(fā)的NX軟件套件中。不同于常規(guī)制造工藝，3D打印對產(chǎn)品設(shè)計的限制很小，這為面向大眾市場生產(chǎn)個性化產(chǎn)品打開了大門。

然而，要將常規(guī)制造工藝與增材制造工藝相融合仍需克服重重阻礙。3D打印使用的設(shè)計技術(shù)與常規(guī)制造截然不同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式亦大相徑庭。隨著經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，現(xiàn)在，工業(yè)界在產(chǎn)品開發(fā)的每個階段都使用端到端軟件工具來無縫記錄產(chǎn)品的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，而為了使增材制造部件適用于這些系統(tǒng)，研發(fā)人員必須費(fèi)力地轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式或更新產(chǎn)品信息。如今，西門子已研發(fā)出能夠彌合這一缺口的軟件。

反思輕量化工程

不同于銑削、噴涂、沖壓和鑄造等傳統(tǒng)制造工藝，3D打印可生產(chǎn)任意造型的產(chǎn)品，包括具備空腔或蜂窩結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新型輕量化組件。這勾起了汽車與航空領(lǐng)域的極大興趣。現(xiàn)在，許多3D打印技術(shù)已克服了應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)時所面臨的障礙。

端到端數(shù)據(jù)格式

3D打印技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程所必須要應(yīng)對的挑戰(zhàn)之一便是其與常規(guī)制造工藝截然不同的產(chǎn)品設(shè)計方式。常規(guī)CAD技術(shù)以個性化制造工藝為導(dǎo)向，可以設(shè)計出精確定義的幾何形狀。與之相反，3D打印設(shè)計往往采用結(jié)合了多面體的層面數(shù)據(jù)來設(shè)計任意造型的物體。然而，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印設(shè)計的精度較低，這抵消了其在設(shè)計自由度上的優(yōu)勢。

針對這一點(diǎn)，西門子已研發(fā)出名為“融合建模（Convergent Modeling）”的全新系統(tǒng)，在一個軟件解決方案中完成了增材制造與常規(guī)制造的結(jié)合。融合建模現(xiàn)已成為NX軟件的一部分。產(chǎn)品研發(fā)人員可以利用其熟悉的CAD程序來設(shè)計面向3D打印的產(chǎn)品，而不必轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。這個新系統(tǒng)可確保所有與產(chǎn)品有關(guān)的信息都能被無縫追蹤。

全新的設(shè)計可能

融合建模讓設(shè)計人員能夠以全新的方式探索3D打印的更多可能。通過采用被專家稱為“創(chuàng)成式設(shè)計”的方法，研發(fā)人員可以始終如一地按要求設(shè)計產(chǎn)品，而不受任何制造相關(guān)限制的影響。例如，在設(shè)計連接件時，相關(guān)人員需考慮包括可用空間、與其他組件的連接點(diǎn)以及作用于其上的力等因素。而版本（11.0.1.）的NX提供了名為“拓?fù)鋬?yōu)化器”的程序，可根據(jù)特定產(chǎn)品功能的要求，自動計算出的幾何形狀。相比于常規(guī)制造工藝，這種方法生產(chǎn)出的同類產(chǎn)品不僅輕巧得多，而且具備相同的強(qiáng)度。此外，它還允許相關(guān)人員采用常規(guī)制造工藝加工3D打印部件。得益于此，3D打印設(shè)計生成的較為粗糙的幾何形狀可以變得更加精確。例如，兩種制造工藝相結(jié)合后，相關(guān)人員便可以制造出達(dá)到CAD質(zhì)量水平的鉆孔。這個新系統(tǒng)還有利于輕松處理掃描得到的幾何形狀。這是因為設(shè)計人員已經(jīng)開始著手將特定組件的3D掃描圖形融合到設(shè)計過程中了。融合建模也能夠無縫集成多個數(shù)據(jù)模型，因而非常適用于3D打印。

重要的工業(yè)合作伙伴

融合建模正在將增材制造進(jìn)一步融入工業(yè)制造的過程當(dāng)中。通快公司（Trumpf）是大的機(jī)床制造商之一。通過與通快公司合作，西門子已為一臺激光金屬熔融設(shè)備配備了NX工作站，并由NX軟件來直接在CAD-CAE-CAM等環(huán)境中控制一臺3D打印機(jī)。西門子也已與3D打印公司Stratasys建立合作伙伴關(guān)系。在將來，NX軟件也將有可能直接操作各類型的Stratasys打印機(jī)。

電子行業(yè)要求塑料具備精確定義的屬性。西門子正在研發(fā)全新技術(shù)以將多種材料組合起來滿足愈發(fā)精準(zhǔn)的需求。

日常生活中，我們每個人都會接觸到塑料。從牙刷、圓珠筆，到智能手機(jī)，塑料，或者專家所說的合成聚合物，無處不在。日常接觸到的塑料大多性質(zhì)簡單，如輕巧、有彈性或堅硬。工業(yè)用塑料，特別是電氣工程領(lǐng)域使用的塑料，則需要具備更為專門化的屬性。從透明性和磁性，到耐高溫性，以及導(dǎo)熱/絕熱性或?qū)щ?絕緣性，各種屬性要求不一而足。

有鑒于此，西門子中央研究院（CT）正在研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，以生產(chǎn)具備新屬性的塑料。舉例來講，具有規(guī)定的、可再生的導(dǎo)電性能的塑料，是提升諸如發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)電機(jī)的效率的關(guān)鍵所在。對這種機(jī)器的優(yōu)化也十分重要，因為這將有利于節(jié)能。

利用粉末定量給料機(jī)械臂可以混合新材料

讓發(fā)電機(jī)更小巧

西門子研發(fā)人員已經(jīng)研發(fā)出諸如懸掛式電暈屏蔽系統(tǒng)和外部電暈防護(hù)系統(tǒng)等電場控制系統(tǒng)。他們借助新型材料實現(xiàn)了更加高效的電場控制。這些材料的組成成分包括特別摻雜進(jìn)來的二氧化錫或碳化硅。材料被嵌入在由樹脂、各種添加劑、硬化劑、催化劑和溶劑等組成的聚合物基體中。其成分決定了新型復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和電場控制效果。得益于這一新的發(fā)展，懸掛式電暈屏蔽系統(tǒng)的長度可以縮短三分之一，而外部電暈防護(hù)系統(tǒng)的使用壽命可以延長四倍。這意味著大型發(fā)電機(jī)可以變得更小巧，同時保持發(fā)電量不變，從而節(jié)省銅和絕緣材料。

混合工藝，即將各種不同材料組合起來的過程，帶來了更多的可能性。根據(jù)聚合物基體內(nèi)顆粒物的材料、大小、形狀和數(shù)量，研究人員可以確定混合物模具的電氣屬性和可加工性。通過這種方式，西門子的研究人員能夠研制出具備規(guī)定屬性的材料，如電機(jī)或變壓器的絕緣材料。這不僅有助于提高功率密度（即在同等結(jié)構(gòu)體積下實現(xiàn)更小巧的設(shè)計和更大功率），還可以降低成本。

新型材料在投產(chǎn)前需要在坐落于埃爾蘭根的西門子高壓實驗室內(nèi)進(jìn)行深入測試。變壓器使電壓升至70000伏特，并讓電流流過有涂覆層的發(fā)電機(jī)定子線棒。這個測試可以檢測出發(fā)電機(jī)定子線棒能夠承受負(fù)荷的時長，從而洞悉它們在正常運(yùn)行條件下的使用壽命。

連接不同材料

CT的研究人員不僅對材料合成物及其屬性感興趣，他們對這些材料的結(jié)合方式也很感興趣。借助名為“放電等離子體燒結(jié)”的工藝，他們解決了將多種不同粉末壓制成高強(qiáng)度非多孔組件的難題。在這項工藝中，3000安培、4伏特的電流將流過粉末板以產(chǎn)生高溫，讓邊界層（即顆粒間的界面）快速變熱。比之其他工藝，這縮短了加工時間，但所生產(chǎn)出的產(chǎn)品擁有堪比同質(zhì)材料的堅固性。

西門子研究人員正在進(jìn)行實驗，采用放電等離子體燒結(jié)工藝來壓制和焊接材料。

逐層制造

增材制造亦稱3D打印，利用增材制造工藝來生產(chǎn)金屬組件時，高溫也發(fā)揮了重要作用。這項技術(shù)將*變革工業(yè)機(jī)械工程所用工藝。舉例來講，可以利用激光來加熱鎳合金粉末使之達(dá)到熔點(diǎn)以將微粒熔合到一起，逐層制造出三維結(jié)構(gòu)。

這項工藝的優(yōu)點(diǎn)是，迄今為止無法制造的復(fù)雜工件或只能費(fèi)力地用多個單獨(dú)部件裝配而成的復(fù)雜工件，現(xiàn)在可以直接利用3D CAD體積模型制造出來。例如，輪機(jī)葉片內(nèi)部錯綜復(fù)雜的散熱通道，可以優(yōu)化葉片散熱。西門子已*在滿負(fù)荷運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)中，完成了對*采用增材制造工藝生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的測試。增材制造技術(shù)的另一個應(yīng)用是維修燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器噴尖。得益于此，現(xiàn)在，相關(guān)維護(hù)過程的用時僅為過去的十分之一，成本也減少了約30%。利用3D打印技術(shù)，相關(guān)人員可以在分散的不同地點(diǎn)，更經(jīng)濟(jì)劃算、更快速地制造出單個部件。

激光束打在粉末層上，產(chǎn)生*溫度和灼熱光芒。

3D打印清楚地表明，材料與制造工藝密切相關(guān)。因此，具備復(fù)雜屬性的優(yōu)質(zhì)材料始終是制造單獨(dú)組件的起點(diǎn)。然而，3D打印工藝首先要考慮的是剛度和幾何形狀等產(chǎn)品屬性。高度發(fā)達(dá)的基于物理模型的仿真工藝讓制造過程可以在虛擬世界中完成測試和優(yōu)化，從而在打印開始前就消除錯誤。通過這種方式，相關(guān)人員甚至可以在生產(chǎn)設(shè)備啟動前就使材料、組件設(shè)計和工藝參數(shù)達(dá)到*契合。只有這樣，高質(zhì)量粉末材料才能被用于制造外形尺寸精確的組件，實現(xiàn)無變形、內(nèi)應(yīng)力小化和屬性自定義。