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增材制造/3D打印是一種不同于以往的材料加工工藝，通過零件的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及增材制造工藝，能夠創(chuàng)造出全新的結(jié)構(gòu)，甚至是實(shí)現(xiàn)以前不可能實(shí)現(xiàn)的功能。正是基于對增材制造這些優(yōu)勢的重視，西門子在柏林開設(shè)了增材制造設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。

西門子認(rèn)為要充分利用增材制造技術(shù)，重塑設(shè)計(jì)思維是必不可少的前提，工程師們需要突破傳統(tǒng)工藝下所形成的思維，采用全新的認(rèn)知方法進(jìn)行3D打印零部件的設(shè)計(jì)。培養(yǎng)增材制造思維能力，推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新，是西門子設(shè)立增材制造設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室背后的含義。

圖片來源：西門子

 協(xié)作開發(fā)創(chuàng)新零件和增材制造軟件

在西門子柏林增材制造設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中，有一個(gè)由30人組成的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，包括計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)專家、模擬專家和制造工藝流程專家，該團(tuán)隊(duì)利用他們的專業(yè)知識(shí)，和西門子各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域共同研發(fā)具體項(xiàng)目。如有必要，他們可以在現(xiàn)場就給出建議，例如當(dāng)業(yè)務(wù)部門與客戶探討是否有增材制造方面的合作可能性時(shí)，專家團(tuán)隊(duì)可以在討論結(jié)束時(shí)就將零件是否適合進(jìn)行增材制造等建議反饋給客戶。

 虛擬空間中的協(xié)同工作

在實(shí)驗(yàn)室中，有兩個(gè)工作站可供工程師設(shè)計(jì)新零件，工作站包括西門子NX 設(shè)計(jì)軟件和拓?fù)鋬?yōu)化軟件在內(nèi)的全套數(shù)字化設(shè)計(jì)解決方案。實(shí)驗(yàn)室還配有其他數(shù)字化的協(xié)作工具，例如VR眼鏡和投影墻。

西門子工程師討論在燃?xì)廨啓C(jī)葉片上進(jìn)行3D打印的可能性，圖片來源：西門子

產(chǎn)品開發(fā)人員可以利用這些技術(shù)在虛擬的數(shù)字化空間中探討設(shè)計(jì)方案，從各個(gè)角度查看設(shè)計(jì)的所有細(xì)節(jié)并進(jìn)行優(yōu)化。如果對設(shè)計(jì)感到滿意，就可以利用各種3D打印機(jī)將數(shù)字世界變成真實(shí)初始原型。

 合作開發(fā)增材制造仿真技術(shù)

不過一切增材制造工作并非那么簡單，很多因素都會(huì)導(dǎo)致零件增材制造的失敗。為了減少失敗，西門子增材制造設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)人員，不僅需要與客戶共同討論材料和工藝，還與西門子數(shù)字化部門合作開發(fā)仿真工具。

借助XFEM分析等基礎(chǔ)技術(shù)，Simcenter 3D 的AM Process Simulation工具展示了如何通過對比制造零件與原始CAD圖（右）來確定零件預(yù)測的變形（左）。圖片來源：西門子 。

實(shí)驗(yàn)室最新開發(fā)了一個(gè)NX 模塊，名為AM Process Simulation（增材制造過程仿真）。在設(shè)計(jì)結(jié)束后，該模塊用于對增材制造過程進(jìn)行仿真模擬，提高增材制造的成功率。而如果不使用仿真技術(shù)，工程師需要使用許多不同的參數(shù)，然后測試看這些參數(shù)是否能夠制造出他們想要的最終產(chǎn)品。使用仿真技術(shù)之后，工程師就可以將更多精力放到部件功能的設(shè)計(jì)創(chuàng)新中。

 突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維帶來的創(chuàng)新產(chǎn)品

西門子的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)就是設(shè)計(jì)師通過增材制造提出解決方案的一個(gè)很好的例子。 西門子設(shè)計(jì)了一款能夠燃燒氫氣的燃?xì)廨啓C(jī)，這對燃燒器頂部的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。由于燃燒器會(huì)被加熱到更高的溫度，因此需要為其設(shè)計(jì)更有效的冷卻系統(tǒng)。西門子工程師利用粉末床金屬熔融增材制造技術(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)集成到燃料供給系統(tǒng)中，當(dāng)天然氣或氫氣流通過時(shí)就會(huì)帶走更多的熱量。這樣一來，燃料成為了冷卻劑，解決了燃燒器的冷卻問題。正是因?yàn)槲鏖T子的工程師們，放棄了循規(guī)蹈矩的思想模式，才可能有這樣的設(shè)計(jì)和結(jié)果。

增材制造對西門子具有重要的戰(zhàn)略意義，該技術(shù)是西門子的14個(gè)“核心技術(shù)”之一，增材制造設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室作為西門子增材制造能力的重要一環(huán)，為西門子增材制造零部件的生產(chǎn)提供支持。

 Review

面對3D打印走向產(chǎn)業(yè)化制造的趨勢，西門子正在打造一個(gè)全方位的針對3D打印的增材制造生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，不僅包括增材制造設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室、增材制造工廠，還包括一套無縫集成的軟件解決方案。

目前，西門子已在瑞典的Finsp?ng芬斯蓬工廠生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)組件， 該工廠約有20臺(tái)3D打印機(jī)生產(chǎn)。西門子在英國伍斯特設(shè)立的增材制造工廠，擁有50多臺(tái)打印機(jī)，該工廠已于2018年12月開業(yè)。3D科學(xué)谷了解到，西門子還計(jì)劃在美國和中國設(shè)立增材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。

西門子在制造領(lǐng)域的特色軟件服務(wù)產(chǎn)品包括從支持完整的加工機(jī)械和工廠自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和工程軟件、仿真工具及配套硬件，到與基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere進(jìn)行互聯(lián)的設(shè)備等。

西門子軟件解決方案的一大特點(diǎn)是經(jīng)過了西門子應(yīng)用的驗(yàn)證。比如說，西門子能源部門的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片完全采用增材制造（AM）技術(shù)獲得的成功給西門子軟件部門帶來了極大的信心。葉片被安裝在功率為13兆瓦（MW）的西門子SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上。渦輪葉片由高性能多晶鎳高溫合金粉末制成，這允許它們承受高壓、高溫和渦輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力。

西門子的一體化增材制造軟硬件解決方案，涵蓋增材制造增值過程的每一個(gè)階段。增材制造設(shè)備制造商和增材制造用戶借助一體化增材制造解決方案，將加快實(shí)現(xiàn)從原型設(shè)計(jì)和使用單臺(tái)機(jī)器的小規(guī)模生產(chǎn)到工業(yè)規(guī)模批量生產(chǎn)的過渡。