從設(shè)計到加工一鍵貫通，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、增材制造展覽會隆重啟幕，本次展會匯聚逾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)略合作媒體對本次展會進行報道。

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、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，實現(xiàn)零件“輕量化+高性能”突破

報告開篇，李沛然以西門子與羅羅公司（Rolls-Royce）合作的增減材協(xié)同油泵項目為例，揭開了AI驅(qū)動的端到端流程的核心價值。該項目從創(chuàng)建、設(shè)計、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)字化平臺完成，打破了傳統(tǒng)“設(shè)計歸設(shè)計、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，實現(xiàn)AI驅(qū)動的全流程數(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)動設(shè)計：在NX CAD界面即可直接開展CFD（計算流體動力學(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)計界面會根據(jù)仿真結(jié)果實時給出設(shè)計優(yōu)化建議。

2. 拓?fù)鋬?yōu)化實現(xiàn)“減重增剛”：基于仿真數(shù)據(jù)，NX 可以進行增材拓?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)動的machining助手），工程師僅需選中待加工面或特征，AI助手便會基于各場景收集訓(xùn)練的CAM基礎(chǔ)模型，推薦最合適的3-4種加工方案，包括對應(yīng)的加工工序、刀具選擇，刀具進給速度，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，大幅降低對原本高加工經(jīng)驗的強依附需求，縮短CAM相關(guān)工藝時間和人工成本。

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

針對增材制造隨形水路模具的設(shè)計復(fù)雜、試錯成本高的痛點，西門子增材團隊基于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，尤其針對模具行業(yè)的隨行水路打印需求，提供了自動化工具。

1. 增材可行性智能分析：數(shù)據(jù)驅(qū)動成本與效率決策

工程師導(dǎo)入模具幾何模型后，輸入提前錄入的將要應(yīng)用的打印機型號、材料類型等關(guān)鍵信息，AI工具便會自動計算并生成分析報告：當(dāng)此模具預(yù)計生產(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/機加的難度系數(shù)；模具應(yīng)用L-PBF打印的推薦指數(shù)；單個模具預(yù)計打印時間；單個模具預(yù)估打印成本等等。

2. 隨行水路自動生成：自適應(yīng)優(yōu)化，確保“一次打印成功”

隨行水路的設(shè)計直接影響模具冷卻效率，而增材制造對水路的“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現(xiàn)水路智能化設(shè)計：

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會根據(jù)增材工藝要求，自動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：標(biāo)準(zhǔn)化與智能化并行，降低人力依賴

除了設(shè)計環(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

西門子對于增材設(shè)備自動化的核心控制單元（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)備自動化邏輯要求，讓AI助手自動生成工程代碼和注解，減少電氣工程師編程時間，同時避免因人才流失導(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)備自動化架構(gòu)。

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

西門子的設(shè)備人機界面（HMI）的AI驅(qū)動的自動組態(tài)（人機界面腳本生成、動畫生成）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編寫代碼比例，大幅提升工作效率。同時避免因人才流失導(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”痛點

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，實現(xiàn)“仿真-監(jiān)測-補償”的閉環(huán)控制。

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

傳統(tǒng)宏觀變形補償（如Simcenter仿真）難以完全適配實際打印效果，而西門子通過對常用增材材料（IN718, TC4 等）的向量級的打印進行機器學(xué)習(xí)，開發(fā)出向量級別可以自動計算熱仿真結(jié)果的自動化工具《西門子過熱優(yōu)化工具》，針對BP文件進行處理，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)讀取與計算：工具通過讀取非加密的BP文件的激光時序、功率、速率等參數(shù)，逐層完成向量級的熱場仿真計算進而推斷激光燒結(jié)后會出現(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：基于計算結(jié)果，《西門子過熱優(yōu)化工具》可自動調(diào)整原BP文件的相關(guān)參數(shù)，自動給出優(yōu)化后的BP文件，進而送給L-PBF打印機進行實際打?。ìF(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. 熔池實時監(jiān)控：多技術(shù)聯(lián)動，實現(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，西門子正在推進打印過程的熔池實時監(jiān)控工具《西門子L-PBF在線熔池監(jiān)控系統(tǒng)》與質(zhì)量報告生成：

打印前仿真：在激光燒結(jié)前/鋪粉時，《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)》實時捕捉熔池狀態(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)》會將熱仿真結(jié)果與紅外光譜檢測結(jié)果對比，在邏輯上印證閉環(huán)，生成質(zhì)量報告，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，實現(xiàn)結(jié)果可追溯，確保了增材最終用戶對打印產(chǎn)品的穩(wěn)定交付能力。

結(jié)語：AI重構(gòu)增材制造價值鏈，邁向“全流程智能化”

從設(shè)計端的“一鍵優(yōu)化”，到設(shè)備端的“標(biāo)準(zhǔn)化升級”，再到打印過程的“微觀監(jiān)控”，最終到機加工處理的“CAM規(guī)自動規(guī)劃”西門子通過AI技術(shù)實現(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)用價值。

正如李沛然在報告中強調(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-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)型提供更強動力。