通過3D打印機(jī)制作一次性或小批量的零部件與在批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)成熟的3D打印制造工藝之間，存在很大差異。There is a very big difference between making one-off or short-run parts with a 3D printer and being a proven manufacturing process in volume production applications.

專為生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的設(shè)備

     3D打印誕生的“土壤”是原型和快速制造，面臨生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ谛省①|(zhì)量一致性以及加工穩(wěn)定性的需求，需要采用一種非常不同的增材制造方法來消除當(dāng)前工藝所面臨的挑戰(zhàn)，從而推動(dòng)增材制造技術(shù)在批量零件制造中實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

那么，金屬增材制造在生產(chǎn)中可行性的要求是什么？

- 必須是可預(yù)測的：您無法花費(fèi)數(shù)小時(shí)或數(shù)天的時(shí)間來通過反復(fù)試驗(yàn)為了制作第一個(gè)合格的零部件。

- 必須更快：優(yōu)先考慮減少構(gòu)建時(shí)間，這就是多激光3D打印設(shè)備越來越多地用于生產(chǎn)的原因。

- 必須準(zhǔn)確：在更高的速度和更復(fù)雜的零件上，需要更好的過程控制來始終如一地生產(chǎn)高質(zhì)量的零件，同時(shí)減少后處理或返工。

- 必須穩(wěn)定：在生產(chǎn)環(huán)境中，激光器幾乎一直處于開啟狀態(tài)，以提供必要的通量，這些激光器需要可靠且易于維修。

     來自美國舊金山的Velo3D開發(fā)了新的智能熔化粉末床金屬增材制造系統(tǒng)。該系統(tǒng)從的設(shè)計(jì)目的是為了用于生產(chǎn)工作，從零件加工過程模擬開始，到生成加工策略，然后，通過各種過程控制，以確保在多個(gè)零件加工中保持質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

無需支撐的3D打印零件

Velo3D的智能金屬熔化系統(tǒng)打破了基于粉末床選區(qū)金屬熔化領(lǐng)域的“45度規(guī)則”?？梢栽诓恍枰蔚那闆r下打印角度低至10度的零件特征。

Velo 3D 的3D打印設(shè)備。來源：Velo 3D

    Velo3D 的設(shè)備已經(jīng)開發(fā)多年，從一開始就打算用于批量生產(chǎn)。Velo3D的特點(diǎn)是能夠在沒有支撐的情況下構(gòu)建低角度幾何形狀，Velo3D打印機(jī)可以處理低至10度的角度，從而可以構(gòu)建曾經(jīng)被認(rèn)為不可能的幾何形狀。與常規(guī)增材制造技術(shù)相比，還可以在不需要支撐的情況下構(gòu)建高達(dá)40 mm（1.57“）的大內(nèi)徑。

面向生產(chǎn)的零件。來源：Velo 3D

消除生產(chǎn)障礙

     當(dāng)前制約金屬增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本有效地進(jìn)行批量生產(chǎn)的主要障礙是，如何保持構(gòu)建過程質(zhì)量的可靠性。特別是對(duì)于多激光3D打印設(shè)備來說，質(zhì)量的控制是一大挑戰(zhàn)。例如，激光光斑尺寸對(duì)性能有顯著影響。由于校準(zhǔn)不良，氣流或其他因素，容易發(fā)生2-3倍的光斑尺寸變化。

從左上角順時(shí)針方向：定子和風(fēng)扇，徑向渦輪機(jī)葉輪，噴嘴，熱交換器。來源：Velo 3D

     直到最近，還沒有特別實(shí)用的方法來測量粉末床選區(qū)金屬熔化工藝的光斑尺寸漂移問題。通常的做法是每隔3到6個(gè)月通過外部引入校準(zhǔn)技術(shù)人員，以使3D打印機(jī)恢復(fù)到精確的工作狀態(tài)。Velo3D的解決方案是集成計(jì)量系統(tǒng)，可測量關(guān)鍵過程變量，然后自動(dòng)重新校準(zhǔn)機(jī)器。校準(zhǔn)程序測量機(jī)器工作范圍包括校準(zhǔn)49個(gè)點(diǎn)的精度和一致性。只需按一下按鈕，操作員就可以隨時(shí)運(yùn)行它。Velo3D的Sapphire 3D打印機(jī)還可在每次構(gòu)建之前自動(dòng)檢查耗材的級(jí)別或壽命 – 例如過濾器，篩子和粉末供應(yīng) – 并在機(jī)器監(jiān)視器上顯示相關(guān)信息。

     生產(chǎn)多激光系統(tǒng)的另一個(gè)因素是不同激光頭的相鄰表面之間的縫合質(zhì)量。激光必須完美對(duì)齊，以創(chuàng)建光滑，無縫的表面。3D科學(xué)谷了解到，即使是50微米的差異也是可辨別的，并且可能不利地影響零部件的結(jié)構(gòu)完整性。

      此外，隨著構(gòu)建方向沿著垂直的Z軸前進(jìn)，XY軸對(duì)準(zhǔn)可能會(huì)漂移，因此必須進(jìn)行過程跟蹤并進(jìn)行校正以確保整個(gè)構(gòu)建的對(duì)齊。如果沒有過程跟蹤，可能會(huì)在最終的零部件產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷，從而導(dǎo)致需要返工或額外的后期處理。Velo3D的傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)解決了這個(gè)問題，通過在構(gòu)建的每一層的工件表面上大約500個(gè)點(diǎn)處的相鄰激光點(diǎn)覆蓋過程中的監(jiān)視，當(dāng)檢測到未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在控制系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)整。這是一種手段，不僅可以使單個(gè)零部件達(dá)到更高的精度和表面質(zhì)量，而且可以在多個(gè)零部件的加工中提高質(zhì)量穩(wěn)定性。

過程中控制

    3D打印機(jī)的構(gòu)建室內(nèi)有很多因素會(huì)影響金屬增材制造工藝的質(zhì)量和一致性。一個(gè)是氣體的質(zhì)量，如果存在氧氣，氧氣可能與材料發(fā)生氧化反應(yīng)，這些會(huì)限制粉末的再利用，并且可能在零部件制造過程中產(chǎn)生不一致的機(jī)械性能。對(duì)于許多材料來說，惰性氣氛更好，Velo3D的設(shè)備將氧氣限制在1ppm以下并應(yīng)用恒定濕度監(jiān)測。氣流也很重要，因?yàn)闅埩舻臒熁翌w粒會(huì)使激光束模糊，從而降低激光導(dǎo)入粉末的能量強(qiáng)度。常規(guī)方法是引導(dǎo)層流氣流穿過粉末床的表面。然而，層流不一定等于均勻流動(dòng)，并且不均勻的氣流導(dǎo)致煙灰積聚，從而造成零件不一致的機(jī)械性能和表面粗糙度。

Velo3D的Sapphire 3D打印機(jī)采用大容量，高速均勻氣流，這提供了以高激光功率持續(xù)運(yùn)行的能力。

   通過系統(tǒng)來持續(xù)監(jiān)控熔池?zé)崃康哪芰σ埠苤匾?，熔池監(jiān)控不僅僅是傳感器的技術(shù)，還需要提供與正常偏差的原因分析，從而確定缺陷區(qū)域，并幫助用戶了解缺陷的產(chǎn)生方式和原因。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，這一點(diǎn)，在市場上的選區(qū)金屬熔化金屬3D打印設(shè)備中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說并非是Velo3D的差異化特點(diǎn)。

     Velo3D的一個(gè)差異化特點(diǎn)是非接觸式粉末刮板。通常需要鋪粉刮板來掃過粉末表面，以在部件上方平坦化，并且均勻地移除剩余的粉末。鋪粉刮板是磨損部件，如果不仔細(xì)管理，可能會(huì)導(dǎo)致與突出部件發(fā)生摩擦“碰撞”，從而碰壞零件的內(nèi)部特征。

      Velo3D的非接觸式粉末刮板，可通過在每一層提供完整的XYZ方向上的零部件定位和粉末床圖，以防止“碰撞”。設(shè)備還可以檢測粉末床條紋并通過在涂覆機(jī)中運(yùn)行清潔循環(huán)來自動(dòng)校正以釋放粘附的粉末顆粒。最后，對(duì)于大批量生產(chǎn)，Velo3D的Flow?軟件可以快速生成打印程序。金屬增材制造的最大挑戰(zhàn)之一是創(chuàng)建一個(gè)生成與設(shè)計(jì)意圖相匹配的零件。這是關(guān)于預(yù)測翹曲并施加避免措施，以便最終部件按規(guī)格完成的過程。沒有強(qiáng)大的軟件來輔助這個(gè)功能，制造出第一個(gè)符合要求的零部件可能是一個(gè)漫長的試錯(cuò)過程。

Flow軟件預(yù)測過程的翹曲并相應(yīng)地自動(dòng)調(diào)整打印程序。來源：Velo 3D

   導(dǎo)入3D CAD文件后，F(xiàn)low?軟件的模擬引擎會(huì)自動(dòng)分析設(shè)計(jì)，預(yù)測打印中的變形，并生成補(bǔ)償構(gòu)建程序，該軟件可識(shí)別許多零件特征，并為每個(gè)特征獨(dú)立應(yīng)用優(yōu)化的構(gòu)建過程。它還可以預(yù)測部分風(fēng)險(xiǎn)和故障，在開始構(gòu)建過程之前驗(yàn)證打印的可執(zhí)行性。

      他山之石可以攻玉，Velo 3D作為SLM金屬3D打印領(lǐng)域的后起之秀，針對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)υO(shè)備帶來的挑戰(zhàn)與痛點(diǎn)發(fā)力，這或許可以成為國內(nèi)設(shè)備廠商發(fā)展方向的借鑒。