西门子：希望未来十年每100个零件将有20个是3D打印的
南极熊导读：西门子作为全球工业巨头，已经深入应用3D打印了。他们的尝试和探索，和GE一样，是未来3D打印发展...
南极熊导读：西门子作为全球工业巨头，已经深入应用3D打印了。他们的尝试和探索，和GE一样，是未来3D打印发展前景最大的方向和潮流之一，值得深读。
其中，最让南极熊震惊的观点是：
- 西门子未来10年的目标：每生产100个零件，其中有20个是3D打印的。
2018增材制造全球创新大赛发布会8月8日在北京汽车博物馆新闻发布厅举行，主办方希望通过此次大赛的发布，传递并展示3D打印增材制造这项具有前沿突破性技术的发展以及为行业带来的改变与变革，并且以此为契机，邀请行业的专家来解码这项技术在不同领域的应用以及所带来的改变和更长远的影响，并由此激发不断的对话与融合。
在未来增材制造工业化方面的探索，其实在工业4.0的时代下面，制造业正在进行着重构并且进入数字化的转型，主要表现为工业大数据、物联网、人工智能和智能制造的结合，3D打印作为智能制造如何融入制造化过程当中。在发布会现场，西门子工业大中国区PFD产品业务经理蔡波分享了“西门子如何推动工业化的应用”的主题案例。
蔡波先生
蔡波先生现负责西门子工业软件开发，在此之前，他在CAD、CAM、PL行业从业近24年，在不断的专业深耕当中积累了大量制造业的技能和经验，为制造业今天的数字化转型付出了辛勤的努力。））
下面是蔡波先生的演讲速记：
感谢各位嘉宾、大会给我提供这样一个机会，让我介绍一下西门子在增材制造领域一些工业化应用的现状。我今天要给大家介绍的内容，大概是：
一、西门子在做什么样的增材制造领域的生态链的建设。
二、介绍两个主要的西门子案例。
三、最后希望能跟大家互动一下。
刚才两位教授包括沈教授介绍了很多，实际上增材制造它是真正实现创新我们才把它重新命名，因为在30年前就有了IPIE的技术，今天我们把它改了名字叫做3D打印或者增材制造，主要体现在它是一个颠覆性的设计和工艺的方法和思路；这个也用西门子的一个案例来介绍一下，西门子的案例大家可以看到，我们能源部门的一个产品，它是一个比较长的，3.4米的点火装置，是油气混合，各种爆工品混合的产品，用增材制造制造以后变成1.7米长，从49个零件变成19个零件，整个工艺过程把复杂的装配过程大大减化了，制造过程、周期、质量也大大减化了，创意来源主要是前端的点火器非常复杂，这个来源是生物的想象，洋葱头，可以看到上了四年的机械设计的时候你的思想已经僵化成只能做圆的方的焊接的产品才能变成实现工程的一样东西，实际上有了增材制造完全解放了思路，按照洋葱头的方法设计一个点火器，这个点火器设计完以后还需要做各种各样的分析，用西门子的分析工具，我们有一个叫STAR-CCM PLUS的计算分析的软件，它可以计算气体、液体、流体混合以后的效率、流场、压力还有分析仿真，同样用到我们的分析手段。这实际上是在您做产品颠覆性生产以后，产品性能好不好要分析这样一个结果。
当有了这样一个好的创意，性能完成能达到当初设计要求的时候，就可以看到它有一个非常明显的效果就是这样一个新的点火器装置做起来非常快，因为它不像以前，要有三四十个产品装配在一起还要焊接，还要保证装配的工差、精度、重复性，所有的工艺都减化了，设计也非常减化，制造过程就是两个晚上打印的时间，这是一个组件。
可以说增材制造是帮助我们颠覆产品设计、帮助我们颠覆产品的工艺，或者帮助我们颠覆我们产品的个性化的业务过程，所以我们有这样一张图，从纵向看有一个口号叫“重塑产品”完全颠覆你的产品设计过程，你怎么想的这个产品就可以用3D的方法把它做出来。横轴叫“重组制造”它把很多复杂的模具，刚才我们讲到复合材料，到短纤维、长纤维，材料并不是很贵，可是把一系列的工艺和模具制造的成本加上去以后，最终产品制造的成本就上来了，但是用3D打印的方法以后，比如现在看到F35前端的雷达罩就是复合材料的3D打印的产品，它的工时非常短、打印过程非常短、工艺大大减化了，是五周一口气打出来的，把工艺完全减化了，我们叫做重组制造。
3D打印的DLE预混合器。照片来自西门子。
由于我们这个产品的设计跟工艺过程完全是可以定制化的，它的整个业务变成了新的方式，比如以前要生产备件、备用模具，通通都不需要了，需要的时候按需打印就好了，按需把模型发到亚洲某个国家现场打印，它的业务过程被完全颠覆了，三句口号就是这么来的“重塑产品、重组制造、重构业务”但是实际上我们今天看到增材制造还没有大面积工业化的应用起来，是什么原因呢？其实它有很多困难，在这里边可以看到，我们现在看到的从西门子的观点来看，你做一个设计也好、工业化应用也好，会用到不同设计软件、不同的仿真软件、不同的打印准备软件、不同的优化软件、不同的晶格软件、不同的热处理软件，做精加工，这些构成了一个个的孤岛，没有统一的环节，让用户可以非常快的完成。
西门子作为一家工业公司，它要做的事情是自己要用，我们要把这个软件卖到市场上，让同行来用，所以我们提出的就是端到端的集成化的平台，从前端的性能需求开始到它的优化设计、优化减重、晶格设计、打印准备、打印设计的模拟仿真、切片、激光刀路的检查，到后端，打印完产品还要做精加工和检测的过程，我们都再一个软件平台一个用户界面上让用户一口气完成，这是软件上端。下端跟你的生产制造车间，今天你去看，比如成都飞机公司，它有一个数控车间，在数控车间上面有80台数控机床连再一个物联网平台上面，有一套管理系统，工业的执行系统管理整个设计过程，包括人物料、再制品、设备的工艺等等，未来3D打印也是这样，有70台产品，需要对粉料、制品、生产过程、监控设备的开工率、设备的维护维修的准备等等需要有一套制造执行系统来进行管理，我们就是构建这样一套完整的工业化应用的平台来给3D打印批平它整个的工业化应用道路。
当然现在3D打印的技术是多样化的，比如有五轴连动的定向能量承接的方式，右边可以看到有做雷达罩符合材料打印的熔融沉积的，俗话叫复合材料送四的打印方法是机器人控制的，也有惠普公司比较占主导地位的是融剂喷射的/喷墨方式高效率打印的，也有像我们最常见的PBF激光熔融的方式。那么我们提供的这个平台对各种各样的打印方式通通都可以支持，当然在未来打印车间的自动化、管理层面上我们是提供了它的管理和车间层的链接，同时我们还提供制造与应用管理系统的平台，它可以把你各种各样的打印设备、物联网、送审机械、再制品监控、打印任务的管理、粉料和基板的管理通通都放在IT系统里面进行监管，这就是整个制造过程的管理。
大家可以看到，在我们系统里面它的可视化能力非常强，包括你运行的步骤、处理的对象，3D可视化作业手册都可以在这里看到。
总的来说，西门子现在是提供一个市场上比较完整的从打印工具软件平台，到车间级的管理平台，到制造执行系统，提供这样一个解决方案。西门子我们不是3D打印设备的制造商，我们是关键零部件的供应商，是工业软件的供应商，我们更在意的是打造一个工业系统，这个工业系统底层是材料的合作伙伴，包括在座的国内材料第一厂商做增材制造材料的。
第二个层次叫做3D打印技术支持的，或者专业工程咨询服务的厂商，有一家世界上非常有名的厂商，这家厂商专门给英国的（罗罗）做发动机叶片制造的，西门子把它并购过来以后专门支持叶片类还有高精度离散产品的打印咨询服务的公司，为全世界西门子内部的工厂提供服务咨询，也为西门子之外的客户提供3D打印的咨询服务，因为我们知道一个创新的方法来做创新的产品设计是离不开你的工程咨询服务的，他们的强项在什么地方，他们不是说懂得各种各样的打印设备，但是他们更了解的是对这个工艺参数的控制方法、材料的成型过程，打印技术的经验，可以把这些经验分享给其他用户。
第三个叫做软件的合作伙伴，比如增材制造非常有名的公司materialise，很巧的是，这家公司的老板跟西门子收购的一家公司的老板是同学，目前有渊源的一家公司，比如materialise的专利都把它融到这个平台上来了。再往上3D打印的设备制造的厂商，这个公司中文叫做（通快），西门子打印出来的金属的燃烧器就是它打造出来的，还有第一大厂，我是这个行业里面，西门子试图制造一个生态系统，共同推进要这个行业在未来五年能够扩展到10%以上的产业化量产，这是西门子的目标。西门子希望自己在十年之内能够做到20%的产品是3D打印出来的，西门子是一个工业公司这是它自己的目标。
△用于工业蒸汽轮机的金属油密封环，由西门子使用增材制造设计和生产
西门子在增材制造领域主推的就是工业化应用，就是量产应用。量产应用我们有三个方面的优势，以前西门子是给数控机床提供关键的，比如说控制器、磁浮电机这些硬件设备，今天当然3D打印的设备也要用到控制器、HMI、磁浮电机的部分。更大的是工业软件的部门，西门子也支持3D打印的软件，中间这一块是西门子如何帮助很多中小企业能够开始使用3D打印做工业化的应用，这一块我们叫做工程的咨询服务，一个工程的咨询服务，当它带动起来以后会有千家万户企业开始走工业化的3D打印的应用，我们有自己的客户体验中心，国内有些领导也去参观过，在慕尼黑有一家非常大的客户体验中心，也有materialise这样的专业的咨询公司。
在右边我们打造一个零件制造的互联网的平台，大家可能知道西门子有互联网的操作系统，最近我们刚刚花6亿美元收购了一家做开发的，简单讲就是云上APP的软件工具叫materials solutions，就是怎么样把云服务做好，让3D打印上云，你可以不拥有3D打印的设备、可以不拥有3D打印的人才，但是拥有3D打印的创意设计就可以通过云的方式找到第二家、第三家、第四家，最终把你的产品在客户需要的地方打印出来提供给你的客户，这就是西门子的云的战略。你也可能对一些复杂的情况、一些产品，可以找第三方像materials solutions这样的产品，这就是西门子打造的工业化的环境，我们主要从这方面做事情。
可以讲西门子它是一个前店后厂的工业公司，它自己的四个领域里面都是提供制造业产品的工业公司，当然我们也有工业软件，也有自己的工业云，我们首先来讲就是推工业化的应用，第二我们有端到端集成的平台软件解决方案。第三我们有跟世界上著名的技术公司专业公司合作来提供这样一个生态系统给大家提供这样的工业应用的服务。
二、西门子在3D打印的领域是全面在推，我们讲十年之内要做到20%这样一个目标，也就是说今天你生产一百个零件都是用减材的方法，那么十年以后有20个零件会用增材的做法做出来，又快、质量又好，又便宜，大家看到如图八张图是西门子各个子集团，比如第一排第三个是西门子高铁，西门子的mobility是做高铁的，今天已经并购了20车地铁部门。它是司机的驾驶手柄，高铁的驾驶手柄一年有几百个就了不得了，做模具吗？用3D打印是最快的，而且随着设计不断的调整，3D打印产品可以在研发过程当中很快的调整，当然我们可以看到，各个行业的应用。
这里今天想讲的一个例子是西门子比较大的，我们叫能源部门做燃气轮机，西门子做燃气轮机是非常有历史的，世界上最大的燃气轮机也是西门子生产的。我们可以看到从燃气轮机的压缩机、燃烧室、涡轮机，这三个大的关键的部位或者我们叫做关键的部件，3D打印已经进行商业化的普及应用了。商业化的普及应用就是完全是工业化的生产打印，我们看这里边商业的燃气轮机在这里边，左边第一个燃烧器，这个燃烧器原来的产品是一个装配件，而且是个高精度要求的装配件，现在把13个件的装配件变成了单个零件，它可以重复的使用，它首先是打印出来的，第二它在使用过程中会消耗，消耗以后还可以做增材制造再减材把它修复以后还可以运行，每修复以后还可以转两万小时，这样的燃烧器在一个燃气轮机里面多达30个。
第二个例子，它是一个备件，以前的备件要把它生产出来，存放在这个地方，送到燃机的附近，可能这个备件的制造过程还是周期挺长的，不一定能够完全满足备件的要求，现在打印方法一天就能够把备件打出来。
第三个是我们最近的SGT-9000的燃机，现在大部分的，三个大部段的3D打印正在研究，还没有完全商业化、工业化应用，但是已经做大量的投入，做攻关的研究。在这些应用里面，我们讲了我们产品的系列，比如SGT700/800它的燃烧从2013年开始已经进入商业化应用，在SGT1000F系列里面，燃烧器头部备件的应用也是在2016年以来已经完全进入到了商业化的应用。我们看到SGT4000F的涡轮叶片，这个叶片它的快速成型，因为这个小叶片不是我们简单的讲冷段的部件，它是1500度环境里面的叶片，已经投入了快速的生产制造。
刚才讲核心27燃机的叶片，西门子得到了最高的3D打印的大奖，这个叶片它的工作温度是1250度的燃烧包围的工作温度还是高速旋转的叶片，旋转属于可以达到每小时一千英里，最顶端的叶片速度，它是真正实现了我们说一个铸件用3D打印打印出来是没有问题的，但是一个锻件能够打印出来表明3D打印到了非常高的层次，这个叶片就是达到了非常高的层次获得了欧洲的大奖。
这里我们可以看到这个叶片的生产是采用了HP喷墨的方式打印的，在15年开始做的时候是单激光头的，因为它一次可以打多个叶片所以它的效率比较高。（视频）这是铺粉的方式打印出来的。
再花一点时间介绍一下燃烧器，在SGT600、700和800都进入了工业化应用的层次，我们可以看到从17年8月份开始，它所有的燃烧器都是安装在实际客户的燃机里面进行实际的应用，也是工业化批量的在生产，可以做到2200小时的EOH，我们讲在燃机里面有维修计划，这些热部件多长时间做维修计划。从13个零件合并成单个零件，这样的零件实际上是从设计创新开始，大家可以看到它原来的产品是13个零件的装配件，是非常复杂精密的燃烧器，叫iBuMa做3D打印出来的就不是原型了叫创新设计，做创新设计的时候因为有3D打印的思路，他们首先是从怎么样加快循环液的流动快速的把它冷却使得它的寿命非常的长，从这个角度重新创新设计了整个iBuMa，所以它的设计在我们NX环境里面同时减轻了重量，用的晶格减重的，减重以后振动要满足要求，疲劳程度要满足要求，这里还要做各种各样的分析。
西门子的航空衍生SGT-A05燃气轮机。图片来自西门子
在NX环境里面做完创新设计以后就可以做打印，同样的软件环境底下可以做后续的工作，比如做打印的准备、比如切片、比如做支撑，一系列后续的工作，一个客户在同样的软件环境里可以实现，为什么叫端到端集成的解决方案特点就是这样的，可以看到，我们把它放到一个工作台面、托盘上做打印的各种各样的检查。到后面切片的检查，激光路的检查等等。iBuMa生产的厂在瑞典，现在是用的4个激光头的新的设备，因为随着3D打印技术不断的进步，多激光头的技术应用在西门子里已经逐渐普及起来了，它的效率就更高了。
如图右边这就是3D打印出来的件，包括后续的精加工、热处理，可以直接应用它的周期非常短。
第二个例子是Bugatti，大家对布加迪威龙有了解，我们这个案例叫做布加迪凯龙，也有翻译叫做布加迪驰龙，它是超级跑车，康美药业的公子买了一辆，全部落地，他买的高配是六千万。这个案例我们讲的是西门子跟布加迪公司，一起基于仿生方式做薄壁钛合金部件和碳纤维的应用，这个抑制板是非常复杂的动部件，为什么我们说超跑有什么挑战，747起飞速度是280公里/小时，达到这个速度就可以起飞起来了，布加迪凯龙是220以上的速度，你还得把它摁在地上，什么东西把它摁在地上就得靠风的阻力。这个记过本身它要非常的结实还不要太重，还要减少空气的阻力，同时我们在设计这个新的机构的时候把它的重量减轻了50%。首先我们做这件事情的时候也是用的NX软件，首先做前端的流体力学的分析，当你的速度从200、300、400加上去的时候，要分析它的流长型，抑制板的设计怎么样有往下的压力把车压在地上，这个都可以通过NX的计算底下完成这样的工作。
完成这个工作之后在NX里面可以做载荷定义、产品结构的优化、用建模的技术做精细化的设计、然后做打印的分析、打印过程的仿真，因为这里面有非常薄的薄壁件，怎么样用变形模型取代真实打印模型取代打印出来的状态，但是打印过程还有打印支撑还有打印完成以后的后置处理，比如做热处理、静加工、检测，通通都在单一的端到端环境里面做完，做完之后可以看到它支持完成的AM真材制造的流程，可以模拟整个过程以及设计更改的各个过程，一次性分析整个闭环，这是它的好处，如果是孤岛式的不同的软件，在做设计变更的时候就惨了，设计模型要不断的调整，会丢失，也会一步步更新，时间也非常长。
我们可以看到整个布加迪的车加上我们这一块的抑制板，整个设计可以进行模拟，也可以把它可视化的形状记录下来。如图这就是NX设计工程师在自己的设计环境下做产品的创新型设计，当然是结构设计先做，可能还要做优化、晶格网络设计、有效化的分析，做完设计以后打印准备还要做打印的支撑结构，因为是钛合金的，这部分还是高磨速碳纤维的筒，它的设计分析也是在NX环境底下进行的。做完以后也是在NX环境底下直接做打印，打印准备完成以后提交文件，激光切片的刀路可以直接交给打印设备进行打印，打印完以后零件出来把粉清掉以后还要做后置处理，这个处理有各种各样化学和物理的方法进行表面清洗，把安装部位进行加工，整个项目不是西门子一家做的，是西门子跟工程公司、布加迪公司一起完成的工业化应用的项目，使得能够实现量产产品。
听完西门子对3D打印的应用，南极熊想问：未来占据3D打印主导地位的，会不会是西门子这种工业巨头？
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