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双剑合璧：融合增材制造与常规制造

西门子全新软件能够让增材制造工艺与常规制造工艺*实现双剑合璧，从而使为大众市场生产个性化产品成为可能。

西门子已将增材制造整合到其面向产品研发的NX软件套件中。不同于常规制造工艺，3D打印对产品设计的限制很小，这为面向大众市场生产个性化产品打开了大门。

然而，要将常规制造工艺与增材制造工艺相融合仍需克服重重阻碍。3D打印使用的设计技术与常规制造截然不同，产生的数据格式亦大相径庭。随着经济的数字化转型，现在，工业界在产品开发的每个阶段都使用端到端软件工具来无缝记录产品的所有相关数据，而为了使增材制造部件适用于这些系统，研发人员必须费力地转换数据格式或更新产品信息。如今，西门子已研发出能够弥合这一缺口的软件。

反思轻量化工程

不同于铣削、喷涂、冲压和铸造等传统制造工艺，3D打印可生产任意造型的产品，包括具备空腔或蜂窝结构的创新型轻量化组件。这勾起了汽车与航空领域的极大兴趣。现在，许多3D打印技术已克服了应用于工业生产时所面临的障碍。

端到端数据格式

3D打印技术应用于工业生产过程所必须要应对的挑战之一便是其与常规制造工艺截然不同的产品设计方式。常规CAD技术以个性化制造工艺为导向，可以设计出精确定义的几何形状。与之相反，3D打印设计往往采用结合了多面体的层面数据来设计任意造型的物体。然而，与传统技术相比，3D打印设计的精度较低，这抵消了其在设计自由度上的优势。

针对这一点，西门子已研发出名为“融合建模（Convergent Modeling）”的全新系统，在一个软件解决方案中完成了增材制造与常规制造的结合。融合建模现已成为NX软件的一部分。产品研发人员可以利用其熟悉的CAD程序来设计面向3D打印的产品，而不必转换数据。这个新系统可确保所有与产品有关的信息都能被无缝追踪。

全新的设计可能

融合建模让设计人员能够以全新的方式探索3D打印的更多可能。通过采用被专家称为“创成式设计”的方法，研发人员可以始终如一地按要求设计产品，而不受任何制造相关限制的影响。例如，在设计连接件时，相关人员需考虑包括可用空间、与其他组件的连接点以及作用于其上的力等因素。而版本（11.0.1.）的NX提供了名为“拓扑优化器”的程序，可根据特定产品功能的要求，自动计算出的几何形状。相比于常规制造工艺，这种方法生产出的同类产品不仅轻巧得多，而且具备相同的强度。此外，它还允许相关人员采用常规制造工艺加工3D打印部件。得益于此，3D打印设计生成的较为粗糙的几何形状可以变得更加精确。例如，两种制造工艺相结合后，相关人员便可以制造出达到CAD质量水平的钻孔。这个新系统还有利于轻松处理扫描得到的几何形状。这是因为设计人员已经开始着手将特定组件的3D扫描图形融合到设计过程中了。融合建模也能够无缝集成多个数据模型，因而非常适用于3D打印。

重要的工业合作伙伴

融合建模正在将增材制造进一步融入工业制造的过程当中。通快公司（Trumpf）是大的机床制造商之一。通过与通快公司合作，西门子已为一台激光金属熔融设备配备了NX工作站，并由NX软件来直接在CAD-CAE-CAM等环境中控制一台3D打印机。西门子也已与3D打印公司Stratasys建立合作伙伴关系。在将来，NX软件也将有可能直接操作各类型的Stratasys打印机。

电子行业要求塑料具备精确定义的属性。西门子正在研发全新技术以将多种材料组合起来满足愈发精准的需求。

日常生活中，我们每个人都会接触到塑料。从牙刷、圆珠笔，到智能手机，塑料，或者专家所说的合成聚合物，无处不在。日常接触到的塑料大多性质简单，如轻巧、有弹性或坚硬。工业用塑料，特别是电气工程领域使用的塑料，则需要具备更为专门化的属性。从透明性和磁性，到耐高温性，以及导热/绝热性或导电/绝缘性，各种属性要求不一而足。

有鉴于此，西门子中央研究院（CT）正在研发创新技术，以生产具备新属性的塑料。举例来讲，具有规定的、可再生的导电性能的塑料，是提升诸如发电机等旋转电机的效率的关键所在。对这种机器的优化也十分重要，因为这将有利于节能。

利用粉末定量给料机械臂可以混合新材料

让发电机更小巧

西门子研发人员已经研发出诸如悬挂式电晕屏蔽系统和外部电晕防护系统等电场控制系统。他们借助新型材料实现了更加高效的电场控制。这些材料的组成成分包括特别掺杂进来的二氧化锡或碳化硅。材料被嵌入在由树脂、各种添加剂、硬化剂、催化剂和溶剂等组成的聚合物基体中。其成分决定了新型复合材料的导电性能和电场控制效果。得益于这一新的发展，悬挂式电晕屏蔽系统的长度可以缩短三分之一，而外部电晕防护系统的使用寿命可以延长四倍。这意味着大型发电机可以变得更小巧，同时保持发电量不变，从而节省铜和绝缘材料。

混合工艺，即将各种不同材料组合起来的过程，带来了更多的可能性。根据聚合物基体内颗粒物的材料、大小、形状和数量，研究人员可以确定混合物模具的电气属性和可加工性。通过这种方式，西门子的研究人员能够研制出具备规定属性的材料，如电机或变压器的绝缘材料。这不仅有助于提高功率密度（即在同等结构体积下实现更小巧的设计和更大功率），还可以降低成本。

新型材料在投产前需要在坐落于埃尔兰根的西门子高压实验室内进行深入测试。变压器使电压升至70000伏特，并让电流流过有涂覆层的发电机定子线棒。这个测试可以检测出发电机定子线棒能够承受负荷的时长，从而洞悉它们在正常运行条件下的使用寿命。

连接不同材料

CT的研究人员不仅对材料合成物及其属性感兴趣，他们对这些材料的结合方式也很感兴趣。借助名为“放电等离子体烧结”的工艺，他们解决了将多种不同粉末压制成高强度非多孔组件的难题。在这项工艺中，3000安培、4伏特的电流将流过粉末板以产生高温，让边界层（即颗粒间的界面）快速变热。比之其他工艺，这缩短了加工时间，但所生产出的产品拥有堪比同质材料的坚固性。

西门子研究人员正在进行实验，采用放电等离子体烧结工艺来压制和焊接材料。

逐层制造

增材制造亦称3D打印，利用增材制造工艺来生产金属组件时，高温也发挥了重要作用。这项技术将*变革工业机械工程所用工艺。举例来讲，可以利用激光来加热镍合金粉末使之达到熔点以将微粒熔合到一起，逐层制造出三维结构。

这项工艺的优点是，迄今为止无法制造的复杂工件或只能费力地用多个单独部件装配而成的复杂工件，现在可以直接利用3D CAD体积模型制造出来。例如，轮机叶片内部错综复杂的散热通道，可以优化叶片散热。西门子已*在满负荷运行的燃气轮机中，完成了对*采用增材制造工艺生产的燃气轮机叶片的测试。增材制造技术的另一个应用是维修燃气轮机的燃烧器喷尖。得益于此，现在，相关维护过程的用时仅为过去的十分之一，成本也减少了约30%。利用3D打印技术，相关人员可以在分散的不同地点，更经济划算、更快速地制造出单个部件。

激光束打在粉末层上，产生*温度和灼热光芒。

3D打印清楚地表明，材料与制造工艺密切相关。因此，具备复杂属性的优质材料始终是制造单独组件的起点。然而，3D打印工艺首先要考虑的是刚度和几何形状等产品属性。高度发达的基于物理模型的仿真工艺让制造过程可以在虚拟世界中完成测试和优化，从而在打印开始前就消除错误。通过这种方式，相关人员甚至可以在生产设备启动前就使材料、组件设计和工艺参数达到*契合。只有这样，高质量粉末材料才能被用于制造外形尺寸精确的组件，实现无变形、内应力小化和属性自定义。