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雙劍合璧：融合增材制造與常規制造

西門(mén)子全新軟件能夠讓增材制造工藝與常規制造工藝*實(shí)現雙劍合璧，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(mén)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。不同于常規制造工藝，3D打印對產(chǎn)品設計的限制很小，這為面向大眾市場(chǎng)生產(chǎn)個(gè)性化產(chǎn)品打開(kāi)了大門(mén)。

然而，要將常規制造工藝與增材制造工藝相融合仍需克服重重阻礙。3D打印使用的設計技術(shù)與常規制造截然不同，產(chǎn)生的數據格式亦大相徑庭。隨著(zhù)經(jīng)濟的數字化轉型，現在，工業(yè)界在產(chǎn)品開(kāi)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)數據，而為了使增材制造部件適用于這些系統，研發(fā)人員必須費力地轉換數據格式或更新產(chǎn)品信息。如今，西門(mén)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構的創(chuàng )新型輕量化組件。這勾起了汽車(chē)與航空領(lǐng)域的極大興趣?，F在，許多3D打印技術(shù)已克服了應用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)所面臨的障礙。

端到端數據格式

3D打印技術(shù)應用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所必須要應對的挑戰之一便是其與常規制造工藝截然不同的產(chǎn)品設計方式。常規CAD技術(shù)以個(gè)性化制造工藝為導向，可以設計出精確定義的幾何形狀。與之相反，3D打印設計往往采用結合了多面體的層面數據來(lái)設計任意造型的物體。然而，與傳統技術(shù)相比，3D打印設計的精度較低，這抵消了其在設計自由度上的優(yōu)勢。

針對這一點(diǎn)，西門(mén)子已研發(fā)出名為“融合建模（Convergent Modeling）”的全新系統，在一個(gè)軟件解決方案中完成了增材制造與常規制造的結合。融合建?，F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)設計面向3D打印的產(chǎn)品，而不必轉換數據。這個(gè)新系統可確保所有與產(chǎn)品有關(guān)的信息都能被無(wú)縫追蹤。

全新的設計可能

融合建模讓設計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(zhuān)家稱(chēng)為“創(chuàng )成式設計”的方法，研發(fā)人員可以始終如一地按要求設計產(chǎn)品，而不受任何制造相關(guān)限制的影響。例如，在設計連接件時(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“拓撲優(yōu)化器”的程序，可根據特定產(chǎn)品功能的要求，自動(dòng)計算出的幾何形狀。相比于常規制造工藝，這種方法生產(chǎn)出的同類(lèi)產(chǎn)品不僅輕巧得多，而且具備相同的強度。此外，它還允許相關(guān)人員采用常規制造工藝加工3D打印部件。得益于此，3D打印設計生成的較為粗糙的幾何形狀可以變得更加精確。例如，兩種制造工藝相結合后，相關(guān)人員便可以制造出達到CAD質(zhì)量水平的鉆孔。這個(gè)新系統還有利于輕松處理掃描得到的幾何形狀。這是因為設計人員已經(jīng)開(kāi)始著(zhù)手將特定組件的3D掃描圖形融合到設計過(guò)程中了。融合建模也能夠無(wú)縫集成多個(gè)數據模型，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)程當中。通快公司（Trumpf）是大的機床制造商之一。通過(guò)與通快公司合作，西門(mén)子已為一臺激光金屬熔融設備配備了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3D打印機。西門(mén)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(lèi)型的Stratasys打印機。

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

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，塑料，或者專(zhuān)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(zhuān)門(mén)化的屬性。從透明性和磁性，到耐高溫性，以及導熱/絕熱性或導電/絕緣性，各種屬性要求不一而足。

有鑒于此，西門(mén)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，具有規定的、可再生的導電性能的塑料，是提升諸如發(fā)電機等旋轉電機的效率的關(guān)鍵所在。對這種機器的優(yōu)化也十分重要，因為這將有利于節能。

利用粉末定量給料機械臂可以混合新材料

讓發(fā)電機更小巧

西門(mén)子研發(fā)人員已經(jīng)研發(fā)出諸如懸掛式電暈屏蔽系統和外部電暈防護系統等電場(chǎng)控制系統。他們借助新型材料實(shí)現了更加高效的電場(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(shù)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合材料的導電性能和電場(chǎng)控制效果。得益于這一新的發(fā)展，懸掛式電暈屏蔽系統的長(cháng)度可以縮短三分之一，而外部電暈防護系統的使用壽命可以延長(cháng)四倍。這意味著(zhù)大型發(fā)電機可以變得更小巧，同時(shí)保持發(fā)電量不變，從而節省銅和絕緣材料。

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。根據聚合物基體內顆粒物的材料、大小、形狀和數量，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(mén)子的研究人員能夠研制出具備規定屬性的材料，如電機或變壓器的絕緣材料。這不僅有助于提高功率密度（即在同等結構體積下實(shí)現更小巧的設計和更大功率），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(mén)子高壓實(shí)驗室內進(jìn)行深入測試。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)電機定子線(xiàn)棒。這個(gè)測試可以檢測出發(fā)電機定子線(xiàn)棒能夠承受負荷的時(shí)長(cháng)，從而洞悉它們在正常運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合方式也很感興趣。借助名為“放電等離子體燒結”的工藝，他們解決了將多種不同粉末壓制成高強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(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)材料的堅固性。

西門(mén)子研究人員正在進(jìn)行實(shí)驗，采用放電等離子體燒結工藝來(lái)壓制和焊接材料。

逐層制造

增材制造亦稱(chēng)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。這項技術(shù)將*變革工業(yè)機械工程所用工藝。舉例來(lái)講，可以利用激光來(lái)加熱鎳合金粉末使之達到熔點(diǎn)以將微粒熔合到一起，逐層制造出三維結構。

這項工藝的優(yōu)點(diǎn)是，迄今為止無(wú)法制造的復雜工件或只能費力地用多個(gè)單獨部件裝配而成的復雜工件，現在可以直接利用3D CAD體積模型制造出來(lái)。例如，輪機葉片內部錯綜復雜的散熱通道，可以?xún)?yōu)化葉片散熱。西門(mén)子已*在滿(mǎn)負荷運行的燃氣輪機中，完成了對*采用增材制造工藝生產(chǎn)的燃氣輪機葉片的測試。增材制造技術(shù)的另一個(gè)應用是維修燃氣輪機的燃燒器噴尖。得益于此，現在，相關(guān)維護過(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，具備復雜屬性的優(yōu)質(zhì)材料始終是制造單獨組件的起點(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試和優(yōu)化，從而在打印開(kāi)始前就消除錯誤。通過(guò)這種方式，相關(guān)人員甚至可以在生產(chǎn)設備啟動(dòng)前就使材料、組件設計和工藝參數達到*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)現無(wú)變形、內應力小化和屬性自定義。