增材制造 (Additive manufacturing) 和3D打印技术是近年发展起来的新型制造技术，能够帮助企业实现创意产品的交付。增材制造的知识和最佳实践，需要从早期设计环节到产品构建和生产环节中进行整合；同时，为了适应今天的经济趋势，还要考虑到报废材料的可循环性。

数字化是创建增材制造项目，以收集、分析和优化流程的关键推动者。产品设计、生产和使用数据都需要在产品全生命周期内进行收集。正确的设计工具集将有助于打造更好的零件；而正确的构建工具集可以优化制造过程，最终确保可靠并可持续地获取零件。

优化的设计工具集

对于制造企业来说，要实现成功的增材制造设计，要分别针对功能、性能和可制造性而制制定设计策略。无论是通过拓扑优化，还是通过算法定义的晶格结构创建的复杂几何形状，增材制造的优势都来自于对技术的适当设计 —— 如果设计合理，使用增材制造可以用更少的材料提供更多的功能。然而，以这种方式进行设计往往需要一个适当的数字工具集，用来管理和操作在零件性能、可靠性和其他关键指标优化过程中所产生的复杂几何图形。

Simrod的发动机支架采用拓扑优化，在保持结构刚性的同时尽量减少浪费。 (图片来源：西门子数字化工业软件)

通过减少每个部件的材料使用量、提高现场部件性能，或协助下游工序的制造或装配，这些设计改进所带来的性能提升还可以为企业创造可持续性优势。例如，车辆中更轻的部件可以提高行驶里程，流体动力效率高的泵叶轮可以带来更低的能源成本。有时，这些优势可以在制造业中得到进一步的发挥，例如，一些公司使用增材制造技术将单个零件进行整合，进而减少装配步骤，并减少能源消耗。

集成式数字工具集加速构建过程

接下来，优化的设计还需要被高效、可靠地制造出来。要完成这个构建过程需要来自产品整个生命周期的信息，集成式的数字工具集将在这个环节发挥效用。制造工程师可通过构建和性能仿真来优化零件的生产，以确保机器的高效打印。在制造可持续的增材制造产品时，还需要优化构建准备过程，例如，优化给定打印机的打印容量可能会减少每次打印所消耗的能源。

该零件的复杂形状需要打印支援，通过建模打印可以将这种需求最小化。(图片来源：西门子数字化工业软件)

当批量交付个位数产品时，一次失败的打印可能带来更多的材料成本、制造能源成本和与构建相关的时间成本。使用正确的数字工具集将有助于高质量产出，并且满足企业对于可持续性的需求。设计、生产和实际性能之间的打印过程中的数据增强模型，在开发的早期阶段能够提供更准确的预测，可以降低构建失败概率和减少材料使用。此外，适合生产的数字工具集还应将后期加工操作整合到工作流程的优化中。

在使用粉末床打印机时，需要设计打印部件的内部体积，以去除未使用的材料 (图片来源：西门子数字化工业软件)

带入产品全生命周期的思考

除了需要优化打印时间、材料使用和可行性外，还要考虑产品的全生命周期，包括后期处理过程在内的材料使用。根据业务的不同，可涵盖从原材料采购到材料报废处理的全过程。材料可追溯性提供了对产品生命周期中损失点的洞察，这对制造成本和可持续性有直接影响。例如，历史数据可能会显示一台除粉机没有有效地收集未使用的材料，或者要求设计师重塑零件，以提高现有设备的收集率。

随着越来越多的企业转向可持续的流程和循环材料，收集、分析和优化整个生产生命周期的数据将变得至关重要。材料损失对制造商的成本有直接影响，随着一些原材料变得更难获得，有效使用材料的成本只会越来越高，这些原材料可能是打印材料，也可能是适用于后期处理增材制造零件中的冷却剂和加工液。

在讨论产品的生命周期时，可持续性的“3R”（Reduce, Reuse, Recycle）经常被提及。其中“再利用”（Reuse）是在可持续性和增材制造领域越来越常见的一个主题，打造可持续的未来涉及到制造可以修复和再利用的产品。今天的企业正在使用增材制造来修复或更换旧机器上的零件，因为他们希望结合企业制造可持续产品的举措，有效减少浪费。

增材制造技术为制造业提高产能和可持续性提供了一条有效路径，可以实现从产品设计、构建和生产到整个生命周期的循环，而工业软件是实现这一潜力的关键，它能够帮助创造一个数字环境，使增材制造成为一个可重复且可持续的过程，从而持续推动制造业向前迈进。

文章来源：西门子数字化工业软件

图片来源：西门子数字化工业软件

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