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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(shí)現(xiàn)雙劍合璧，從而使為大眾市場(chǎng)生產(chǎn)個(gè)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的限制很小，這為面向大眾市場(chǎng)生產(chǎn)個(gè)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(jì)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(gè)階段都使用端到端軟件工具來(lái)無(wú)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?，F(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(shí)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(guò)程所必須要應(yīng)對(duì)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(jì)方式。常規(guī)CAD技術(shù)以個(gè)性化制造工藝為導(dǎo)向，可以設(shè)計(jì)出精確定義的幾何形狀。與之相反，3D打印設(shè)計(jì)往往采用結(jié)合了多面體的層面數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)任意造型的物體。然而，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印設(shè)計(jì)的精度較低，這抵消了其在設(shè)計(jì)自由度上的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)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(gè)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(lái)設(shè)計(jì)面向3D打印的產(chǎn)品，而不必轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。這個(gè)新系統(tǒng)可確保所有與產(chǎn)品有關(guān)的信息都能被無(wú)縫追蹤。

全新的設(shè)計(jì)可能

融合建模讓設(shè)計(jì)人員能夠以全新的方式探索3D打印的更多可能。通過(guò)采用被專家稱為“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”的方法，研發(fā)人員可以始終如一地按要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而不受任何制造相關(guān)限制的影響。例如，在設(shè)計(jì)連接件時(shí)，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(dòng)計(jì)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(jì)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(gè)新系統(tǒng)還有利于輕松處理掃描得到的幾何形狀。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程中了。融合建模也能夠無(wú)縫集成多個(gè)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(guò)程當(dāng)中。通快公司（Trumpf）是大的機(jī)床制造商之一。通過(guò)與通快公司合作，西門子已為一臺(tái)激光金屬熔融設(shè)備配備了NX工作站，并由NX軟件來(lái)直接在CAD-CAE-CAM等環(huán)境中控制一臺(tái)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(lái)，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(lái)滿足愈發(fā)精準(zhǔn)的需求。

日常生活中，我們每個(gè)人都會(huì)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(shuō)的合成聚合物，無(wú)處不在。日常接觸到的塑料大多性質(zhì)簡(jiǎn)單，如輕巧、有彈性或堅(jiān)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(lái)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(duì)這種機(jī)器的優(yōu)化也十分重要，因?yàn)檫@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(chǎng)控制系統(tǒng)。他們借助新型材料實(shí)現(xiàn)了更加高效的電場(chǎng)控制。這些材料的組成成分包括特別摻雜進(jìn)來(lái)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)四倍。這意味著大型發(fā)電機(jī)可以變得更小巧，同時(shí)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(lái)的過(guò)程，帶來(lái)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(guò)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(shí)現(xiàn)更小巧的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行深入測(cè)試。變壓器使電壓升至70000伏特，并讓電流流過(guò)有涂覆層的發(fā)電機(jī)定子線棒。這個(gè)測(cè)試可以檢測(cè)出發(fā)電機(jī)定子線棒能夠承受負(fù)荷的時(shí)長(zhǎng)，從而洞悉它們?cè)谡＿\(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(duì)材料合成物及其屬性感興趣，他們對(duì)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(xiàng)工藝中，3000安培、4伏特的電流將流過(guò)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(shí)間，但所生產(chǎn)出的產(chǎn)品擁有堪比同質(zhì)材料的堅(jiān)固性。

西門子研究人員正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用放電等離子體燒結(jié)工藝來(lái)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(lái)生產(chǎn)金屬組件時(shí)，高溫也發(fā)揮了重要作用。這項(xiàng)技術(shù)將*變革工業(yè)機(jī)械工程所用工藝。舉例來(lái)講，可以利用激光來(lái)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(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)是，迄今為止無(wú)法制造的復(fù)雜工件或只能費(fèi)力地用多個(gè)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(lái)。例如，輪機(jī)葉片內(nèi)部錯(cuò)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(duì)*采用增材制造工藝生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的測(cè)試。增材制造技術(shù)的另一個(gè)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(guò)程的用時(shí)僅為過(guò)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(gè)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(guò)程可以在虛擬世界中完成測(cè)試和優(yōu)化，從而在打印開始前就消除錯(cuò)誤。通過(guò)這種方式，相關(guān)人員甚至可以在生產(chǎn)設(shè)備啟動(dòng)前就使材料、組件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)無(wú)變形、內(nèi)應(yīng)力小化和屬性自定義。