從設(shè)計(jì)到加工一鍵貫通，解密西門子AI如何優(yōu)化3D打印全流程

2025年9月10日，深圳TCT亞洲3D打印、增材制造展覽會(huì)隆重啟幕，本次展會(huì)匯聚逾200家參展企業(yè)與上萬名專業(yè)觀眾，現(xiàn)場氣氛熱烈，南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體對(duì)本次展會(huì)進(jìn)行報(bào)道。

在2025 TCT深圳展上，西門子(中國)有限公司增材制造業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理李沛然帶來了一場聚焦“西門子增材制造與人工智能結(jié)合”的精彩報(bào)告，深度展示了西門子如何以AI技術(shù)打通3D打印從設(shè)計(jì)、設(shè)備到加工的全環(huán)節(jié)，用數(shù)字化與智能化重塑增材制造行業(yè)格局，引發(fā)現(xiàn)場觀眾廣泛關(guān)注。

一、端到端數(shù)字化流程，實(shí)現(xiàn)零件“輕量化+高性能”突破

報(bào)告開篇，李沛然以西門子與羅羅公司（Rolls-Royce）合作的增減材協(xié)同油泵項(xiàng)目為例，揭開了AI驅(qū)動(dòng)的端到端流程的核心價(jià)值。該項(xiàng)目從創(chuàng)建、設(shè)計(jì)、仿真，到增材、減材，再到最終三坐標(biāo)檢測，全部集成在西門子數(shù)字化平臺(tái)完成，打破了傳統(tǒng)“設(shè)計(jì)歸設(shè)計(jì)、增材歸增材、增-減加工割裂”的分散模式，通過西門子產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)深度聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)AI驅(qū)動(dòng)的全流程數(shù)據(jù)可追溯、可關(guān)聯(lián)。

在該案例中，AI與仿真技術(shù)的結(jié)合帶來了顯著性能提升：

1. 多維度仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：在NX CAD界面即可直接開展CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）、熱力學(xué)等仿真，無需切換至另外的CAE軟件，AI助手在CAD設(shè)計(jì)界面會(huì)根據(jù)仿真結(jié)果實(shí)時(shí)給出設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

2. 拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)“減重增剛”：基于仿真數(shù)據(jù)，NX 可以進(jìn)行增材拓?fù)鋬?yōu)化功能，在預(yù)設(shè)材料可填充區(qū)域內(nèi)，保留螺栓孔、機(jī)油通道等關(guān)鍵特征，最終生成的零件不僅重量減輕25%（可降低航空設(shè)備燃油消耗，提升運(yùn)行效率），剛度還提升200%，且完全滿足航空領(lǐng)域安全標(biāo)準(zhǔn)。

3. 增減材無縫銜接：增材制造完成后，通過NX CAM Copilot（AI驅(qū)動(dòng)的machining助手），工程師僅需選中待加工面或特征，AI助手便會(huì)基于各場景收集訓(xùn)練的CAM基礎(chǔ)模型，推薦最合適的3-4種加工方案，包括對(duì)應(yīng)的加工工序、刀具選擇，刀具進(jìn)給速度，刀具刀路等；并且這一整套流程都是由AI助手在聊天界面給到工程師，以便于他做出符合加工預(yù)期的選擇，大幅降低對(duì)原本高加工經(jīng)驗(yàn)的強(qiáng)依附需求，縮短CAM相關(guān)工藝時(shí)間和人工成本。

二、L-PBF打印隨形水路模具AI工具：從“可行性分析”到“一鍵生成”，降低增材門檻

針對(duì)增材制造隨形水路模具的設(shè)計(jì)復(fù)雜、試錯(cuò)成本高的痛點(diǎn)，西門子增材團(tuán)隊(duì)基于NX OPEN 開發(fā)了一系列AI輔助工具，覆蓋“可行性分析-水路生成-迭代優(yōu)化”全流程，尤其針對(duì)模具行業(yè)的隨行水路打印需求，提供了自動(dòng)化工具。

1. 增材可行性智能分析：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)成本與效率決策

工程師導(dǎo)入模具幾何模型后，輸入提前錄入的將要應(yīng)用的打印機(jī)型號(hào)、材料類型等關(guān)鍵信息，AI工具便會(huì)自動(dòng)計(jì)算并生成分析報(bào)告：當(dāng)此模具預(yù)計(jì)生產(chǎn)在哪些數(shù)量區(qū)間內(nèi)，應(yīng)用L-PBF打印更有成本優(yōu)勢；模具的傳統(tǒng)注塑/機(jī)加的難度系數(shù)；模具應(yīng)用L-PBF打印的推薦指數(shù)；單個(gè)模具預(yù)計(jì)打印時(shí)間；單個(gè)模具預(yù)估打印成本等等。

2. 隨行水路自動(dòng)生成：自適應(yīng)優(yōu)化，確?！耙淮未蛴〕晒Α?br />
隨行水路的設(shè)計(jì)直接影響模具冷卻效率，而增材制造對(duì)水路的“無支撐打印”要求極高。西門子一鍵生成隨形水路AI工具通過以下步驟實(shí)現(xiàn)水路智能化設(shè)計(jì)：

參數(shù)化輸入：工程師僅需選擇上模/下模、分模面，設(shè)定流道入口、流道與零件表面距離、直徑等基礎(chǔ)參數(shù)；

自適應(yīng)迭代優(yōu)化：進(jìn)行數(shù)次迭代，根據(jù)一維/三維溫降壓的物理模型降優(yōu)化結(jié)果，給出最優(yōu)隨形水路中心線；

自適應(yīng)水路截面優(yōu)化：AI會(huì)根據(jù)增材工藝要求，自動(dòng)將水路截面從水滴型、鉆石型、圓形適當(dāng)不規(guī)律變化，通過多次迭代避免流道內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，減少后處理工序?qū)崿F(xiàn)“一次即成功”。

三、設(shè)備端AI升級(jí)：標(biāo)準(zhǔn)化與智能化并行，降低人力依賴

除了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，西門子還將AI融入增材設(shè)備的控制與操作層面，通過“PLC with AI+HMI with AI”，提升設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化水平，減少人員技能差異與流失帶來的影響。

1. AI賦能PLC：簡化設(shè)備編程，提升標(biāo)準(zhǔn)化

西門子對(duì)于增材設(shè)備自動(dòng)化的核心控制單元（可編程邏輯控制器PLC）已集成AI助手功能，能夠以聊天窗口的方式，輸入設(shè)備自動(dòng)化邏輯要求，讓AI助手自動(dòng)生成工程代碼和注解，減少電氣工程師編程時(shí)間，同時(shí)避免因人才流失導(dǎo)致的技術(shù)丟失問題。提升整體設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化水平，可以持續(xù)健康迭代設(shè)備自動(dòng)化架構(gòu)。

2. AI驅(qū)動(dòng)人機(jī)界面：簡化設(shè)備畫面組態(tài)，提升標(biāo)準(zhǔn)化

西門子的設(shè)備人機(jī)界面（HMI）的AI驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)組態(tài)（人機(jī)界面腳本生成、動(dòng)畫生成）可通過聊天窗口利用自然語言指令完成。工程師大幅度降低手動(dòng)編寫代碼比例，大幅提升工作效率。同時(shí)避免因人才流失導(dǎo)致的技術(shù)丟失問題。提升整體設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化水平，可以持續(xù)健康迭代設(shè)備自動(dòng)化架構(gòu)。

四、打印過程過熱優(yōu)化與熔池監(jiān)控：解決“過熱畸變”與“質(zhì)量波動(dòng)”痛點(diǎn)

增材制造的打印過程受激光功率、速率、熱場變化、應(yīng)力等多因素影響，在薄壁、尖角等細(xì)微結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)零件變形、細(xì)節(jié)丟失、刮刀痕等問題。西門子針對(duì)L-PBF（選擇性激光熔融）技術(shù)，開發(fā)了介觀尺度的AI過熱優(yōu)化工具與熔池監(jiān)控工具，實(shí)現(xiàn)“仿真-監(jiān)測-補(bǔ)償”的閉環(huán)控制。

1. 激光參數(shù)智能優(yōu)化：秒級(jí)仿真，精準(zhǔn)控制熱變形

傳統(tǒng)宏觀變形補(bǔ)償（如Simcenter仿真）難以完全適配實(shí)際打印效果，而西門子通過對(duì)常用增材材料（IN718, TC4 等）的向量級(jí)的打印進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，開發(fā)出向量級(jí)別可以自動(dòng)計(jì)算熱仿真結(jié)果的自動(dòng)化工具《西門子過熱優(yōu)化工具》，針對(duì)BP文件進(jìn)行處理，幫助用戶解決未知并難以解決的熱畸變相關(guān)問題：

數(shù)據(jù)讀取與計(jì)算：工具通過讀取非加密的BP文件的激光時(shí)序、功率、速率等參數(shù)，逐層完成向量級(jí)的熱場仿真計(jì)算進(jìn)而推斷激光燒結(jié)后會(huì)出現(xiàn)問題的具體部分，此仿真速度和可用性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)宏觀仿真軟件。

熱變形預(yù)判與優(yōu)化：基于計(jì)算結(jié)果，《西門子過熱優(yōu)化工具》可自動(dòng)調(diào)整原BP文件的相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)給出優(yōu)化后的BP文件，進(jìn)而送給L-PBF打印機(jī)進(jìn)行實(shí)際打印（現(xiàn)場舉例：優(yōu)化前零件易出現(xiàn)線條細(xì)節(jié)全部丟失，優(yōu)化后幾何特征完整保留）。

2. 熔池實(shí)時(shí)監(jiān)控：多技術(shù)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量閉環(huán)

通過“AI仿真+光學(xué)成像+熔池監(jiān)測（MPM）”的三重技術(shù)聯(lián)立，西門子正在推進(jìn)打印過程的熔池實(shí)時(shí)監(jiān)控工具《西門子L-PBF在線熔池監(jiān)控系統(tǒng)》與質(zhì)量報(bào)告生成：

打印前仿真：在激光燒結(jié)前/鋪粉時(shí)，《西門子過熱優(yōu)化工具》已完成該層的熱場仿真，預(yù)判當(dāng)前層可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題或者預(yù)測出當(dāng)前層是健康安全的；

打印中監(jiān)測：借助光學(xué)成像、層析成像等OT傳感器，反饋給《西門子L-PBF在線熔池監(jiān)控系統(tǒng)》實(shí)時(shí)捕捉熔池狀態(tài)；

當(dāng)前層打印結(jié)束后，《西門子L-PBF在線熔池監(jiān)控系統(tǒng)》會(huì)將熱仿真結(jié)果與紅外光譜檢測結(jié)果對(duì)比，在邏輯上印證閉環(huán)，生成質(zhì)量報(bào)告，為增材技術(shù)接入整廠生產(chǎn)質(zhì)量管理系統(tǒng)做出保證，實(shí)現(xiàn)結(jié)果可追溯，確保了增材最終用戶對(duì)打印產(chǎn)品的穩(wěn)定交付能力。

結(jié)語：AI重構(gòu)增材制造價(jià)值鏈，邁向“全流程智能化”

從設(shè)計(jì)端的“一鍵優(yōu)化”，到設(shè)備端的“標(biāo)準(zhǔn)化升級(jí)”，再到打印過程的“微觀監(jiān)控”，最終到機(jī)加工處理的“CAM規(guī)自動(dòng)規(guī)劃”西門子通過AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D打印全環(huán)節(jié)的數(shù)字化與智能化閉環(huán)。這種“全流程智能”不僅降低了增材制造的技術(shù)門檻，還能幫助企業(yè)提升零件性能、降低成本、縮短周期，尤其在3C、航空航天、模具等高精度領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

正如李沛然在報(bào)告中強(qiáng)調(diào)的，西門子的目標(biāo)并非“用AI替代人”，而是通過AI賦能工程師，讓技術(shù)創(chuàng)新更高效、更精準(zhǔn)。隨著AI與增材制造的深度融合，未來增材制造將逐步邁向“設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-質(zhì)量”的全自主化，為制造業(yè)的柔性化、定制化轉(zhuǎn)型提供更強(qiáng)動(dòng)力。