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電子行業(yè)要求塑料具備精確定義的屬性。西門子正在研發(fā)全新技術(shù)以將多種材料組合起來滿足愈發(fā)精準(zhǔn)的需求。

日常生活中，我們每個人都會接觸到塑料。從牙刷、圓珠筆，到智能手機，塑料，或者專家所說的合成聚合物，無處不在。日常接觸到的塑料大多性質(zhì)簡單，如輕巧、有彈性或堅硬。工業(yè)用塑料，特別是電氣工程領(lǐng)域使用的塑料，則需要具備更為專門化的屬性。從透明性和磁性，到耐高溫性，以及導(dǎo)熱/絕熱性或?qū)щ?絕緣性，各種屬性要求不一而足。

有鑒于此，西門子中央研究院（CT）正在研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，以生產(chǎn)具備新屬性的塑料。舉例來講，具有規(guī)定的、可再生的導(dǎo)電性能的塑料，是提升諸如發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)電機的效率的關(guān)鍵所在。對這種機器的優(yōu)化也十分重要，因為這將有利于節(jié)能。

利用粉末定量給料機械臂可以混合新材料

讓發(fā)電機更小巧

西門子研發(fā)人員已經(jīng)研發(fā)出諸如懸掛式電暈屏蔽系統(tǒng)和外部電暈防護系統(tǒng)等電場控制系統(tǒng)。他們借助新型材料實現(xiàn)了更加高效的電場控制。這些材料的組成成分包括特別摻雜進(jìn)來的二氧化錫或碳化硅。材料被嵌入在由樹脂、各種添加劑、硬化劑、催化劑和溶劑等組成的聚合物基體中。其成分決定了新型復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和電場控制效果。得益于這一新的發(fā)展，懸掛式電暈屏蔽系統(tǒng)的長度可以縮短三分之一，而外部電暈防護系統(tǒng)的使用壽命可以延長四倍。這意味著大型發(fā)電機可以變得更小巧，同時保持發(fā)電量不變，從而節(jié)省銅和絕緣材料。

混合工藝，即將各種不同材料組合起來的過程，帶來了更多的可能性。根據(jù)聚合物基體內(nèi)顆粒物的材料、大小、形狀和數(shù)量，研究人員可以確定混合物模具的電氣屬性和可加工性。通過這種方式，西門子的研究人員能夠研制出具備規(guī)定屬性的材料，如電機或變壓器的絕緣材料。這不僅有助于提高功率密度（即在同等結(jié)構(gòu)體積下實現(xiàn)更小巧的設(shè)計和更大功率），還可以降低成本。

新型材料在投產(chǎn)前需要在坐落于埃爾蘭根的西門子高壓實驗室內(nèi)進(jìn)行深入測試。變壓器使電壓升至70000伏特，并讓電流流過有涂覆層的發(fā)電機定子線棒。這個測試可以檢測出發(fā)電機定子線棒能夠承受極端負(fù)荷的時長，從而洞悉它們在正常運行條件下的使用壽命。

連接不同材料

CT的研究人員不僅對材料合成物及其屬性感興趣，他們對這些材料的結(jié)合方式也很感興趣。借助名為“放電等離子體燒結(jié)”的工藝，他們解決了將多種不同粉末壓制成高強度非多孔組件的難題。在這項工藝中，3000安培、4伏特的電流將流過粉末板以產(chǎn)生高溫，讓邊界層（即顆粒間的界面）快速變熱。比之其他工藝，這縮短了加工時間，但所生產(chǎn)出的產(chǎn)品擁有堪比同質(zhì)材料的堅固性。

西門子研究人員正在進(jìn)行實驗，采用放電等離子體燒結(jié)工藝來壓制和焊接材料。

逐層制造

增材制造亦稱3D打印，利用增材制造工藝來生產(chǎn)金屬組件時，高溫也發(fā)揮了重要作用。這項技術(shù)將*變革工業(yè)機械工程所用工藝。舉例來講，可以利用激光來加熱鎳合金粉末使之達(dá)到熔點以將微粒熔合到一起，逐層制造出三維結(jié)構(gòu)。

這項工藝的優(yōu)點是，迄今為止無法制造的復(fù)雜工件或只能費力地用多個單獨部件裝配而成的復(fù)雜工件，現(xiàn)在可以直接利用3D CAD體積模型制造出來。例如，輪機葉片內(nèi)部錯綜復(fù)雜的散熱通道，可以優(yōu)化葉片散熱。西門子已首次在滿負(fù)荷運行的燃?xì)廨啓C中，完成了對*采用增材制造工藝生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C葉片的測試。增材制造技術(shù)的另一個應(yīng)用是維修燃?xì)廨啓C的燃燒器噴尖。得益于此，現(xiàn)在，相關(guān)維護過程的用時僅為過去的十分之一，成本也減少了約30%。利用3D打印技術(shù)，相關(guān)人員可以在分散的不同地點，更經(jīng)濟劃算、更快速地制造出單個部件。

激光束打在粉末層上，產(chǎn)生*溫度和灼熱光芒。

3D打印清楚地表明，材料與制造工藝密切相關(guān)。因此，具備復(fù)雜屬性的優(yōu)質(zhì)材料始終是制造單獨組件的起點。然而，3D打印工藝首先要考慮的是剛度和幾何形狀等產(chǎn)品屬性。高度發(fā)達(dá)的基于物理模型的仿真工藝讓制造過程可以在虛擬世界中完成測試和優(yōu)化，從而在打印開始前就消除錯誤。通過這種方式，相關(guān)人員甚至可以在生產(chǎn)設(shè)備啟動前就使材料、組件設(shè)計和工藝參數(shù)達(dá)到*契合。只有這樣，高質(zhì)量粉末材料才能被用于制造外形尺寸精確的組件，實現(xiàn)無變形、內(nèi)應(yīng)力最小化和屬性自定義。