Velo3D深度-无支撑背后的支撑|靖哥3D打印 

由 靖哥3D打印 发布于 2020-12-11 09:52 

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编者按:本文来自微信公众号“靖哥3D打印”(ID:gh_d599e1b42ab3)作者:靖哥,3D打印资源库经授权发布。

也就是引言:人类在自身机体和工程领域的上限,一旦第一次突破,而后就会有更多的突破…

一家名为Velo3D的公司,以“无支撑打印”这项王冠最近又获得了4000万美金的投资,累计融资约1.4亿美金。Velo3D随后宣布获得了美国某航空领域的客户2000万美金的订单。虽然在大洋彼岸,这条消息着实让3D打印设备领域的伙伴们为之欢呼。靖哥带大家深度分析这无支撑之后的技术支撑。

这款设备的尺寸在同类型的打印机中,外形相比更大一些,会不会内有乾坤呢?
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图1. Velo3D Sapphire设备(来源:Velo3D)

我们先看一下这款售价约为200万美金设备的基本参数:
微信图片_20201211095633.jpg

一. 亮点聚焦
1.      大高径比(Aspect Ratio)3000:1;
2.      0~10°无需支撑的激光金属3D打印。

大高径比(Aspect Ratio)的打印能力。Aspect Ratio一般的翻译是:长宽比、纵横比等;在3D打印领域一般理解是高度与高度方向的较细结构的直径/边长之比,因而靖哥觉得可以翻译为高径比。比如打印一个直径1mm,高度100mm的圆柱体,那么它的高径比就是100:1。因细杆径在成形中受到较大热应力、剪切力的影响,因而得到大高径比的样品比较困难,但是在一定的范围内,甚至可以获得无限大的高径比(文末有彩蛋)。

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图2. Velo3D高径比3000:1的样品展示(来源:Velo3D)

无支撑打印。相比于大数值的高径比,业内更有吸引力,更具实用价值的是无支撑打印。因为支撑的设计过程,尤其是支撑的去除过程,行业人员苦其久矣…而大量的金属零件打印过程往往需要支撑来实现成功的打印。
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图3. 95%的金属零件需要支撑(来源:Velo3D)

而支撑的去除,一般存在着降低表面质量,破坏脆弱结构,甚至对于开放性差的一些设计,支撑去除几乎是不可能的。

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图4. 支撑结构对比。左:难以去除的常规支撑;右:无支撑(图片:Velo3D)

金属3D打印中,支撑一般会有两个作用:
1. 为“空中楼阁”搭上桁架,以实现小倾角区域的成功打印。
2. 限制打印过程中应力可能导致的翘曲变形。

粉床成形工艺中粉床天然的提供一定的支撑。在FDM、DED等工艺中,上层的成形可能完全没有下层材料的支撑,因而悬空结构支撑常常是必要的。对于粉床成形,成形过程是完全在粉床的支撑下,所以对于低应力的成形方式,如粘结剂成形(VoxelJet,MJF)技术,则可以无支撑;但是对于熔化过程热量很大的金属材料,相对疏松的粉床无法对成形材料产生足够的热传导和固定,因而应力常造成翘曲变形。轻微的翘曲变形会影响铺粉的质量,并造成成形件中的缺陷,严重的翘曲会导致成形失败。
在这样的考虑下,支撑的两个作用合二为一:支撑的实际作用是为了避免应力造成的翘曲。

二. 无支撑背后的技术支撑

1. 无接触的铺粉方式。Velo3D的铺粉技术,是其无支撑打印和大高径比的关键技术。

大高径比的成形。为什么大的高径比难以达到呢?这里的隐含背景是其沿Z轴方向的杆径或者结构比较细。在光杆、刷子等模式的铺粉工艺中,铺粉杆/刷移动时会向前方和下方施加力,该力将粉末向前推动并一定程度上压实。粉床表层的成形件,会受到一个弯折的力矩;越细的结构就越容易在该力的作用下发生形变甚至断裂。即便细杆径没有断裂,在铺粉完成后可能该细杆顶端并未完全回到其在XY平台上所应对应的坐标;从而导致下一层与上一层的结合出现错位,这样打印出的零件侧面粗糙,严重者甚至会没有足够的衔接而断掉。
因此,对于细杆径成形,加压式的每一次铺粉无疑都可能是致命的伤害。
古诗有云:
绰约多逸态,粉中自摇曳;
奈何摧花手,枝残叶何在?

而Velo3D的铺粉方式为无接触式铺粉。铺粉机构将粉末在激光扫描完成后的粉床上洒下,该铺粉机构与粉床表层具有较大的安全距离,不会接触到细杆、或产生一定翘曲的扫描区;下粉结束后以一定的机制将冗余的粉末吸走。这一吸的过程据部分用户讲是真空驱动式的,类似于吸尘器;但也有可能是静电式的,其专利对此有较细的描述。
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图5. Velo3D无接触铺粉过程(见引用1US20160207109)

在消除铺粉过程对于成形层的影响,实际上先前有其它公司也做过尝试。已经被3D Systems收购的Phoenix公司,也曾开发用滚轮的方式来送粉,其在精细结构的打印上也具有很好地表现。因而对于精细结构打印、无支撑有考虑的公司,可以在降低铺粉过程对于已成形部分的压力和剪切力上再多下功夫。
当然,Velo3D这种无接触的方式最大程度的降低了对细杆径的干扰,铺粉过程对于纤纤细杆,犹如清风拂面。
古诗亦云:
流粉自天降,银珠当薄裳;
清风似拂面,恬然兮无恙。

2. 动态的扫描控制能力。对于低倾角/无支撑的打印,在起始几层的打印毫无疑问是关键的,当然如果低倾角贯穿这个打印零件,那么整个零件的打印参数都需要一定程度上动态控制。这需要高效的算法对于成形过程计算进行规划,以使得扫描速度、功率等得到参数的优化。而Velo3D所说的实时反馈,其重要性还有待考证。实时控制需要实时红外观测、历史数据迭代以及最困难的,强大的计算能力。考虑到铺粉的时间为1分钟左右,那么Velo3D的模拟所能达到的作用是有限的。如果大家还记得2015年LLNL(美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室)展示的模拟能力,一条线段的激光金属扫描,花费了1百万CPU小时。如果Velo3D确实实现了实时模拟,那么这种实时的模拟强大的确到了一定程度,那么其庞大身躯下可能真就是大型服务器了。

3. 可能的预热控制等。之所以用可能,是因为Velo3D在其专利中花了大量的篇幅进行温度场预热方案的描述及保护;但是在设备性能的描述,以及靖哥了解到当前Sapphire打印机用户的反馈,提到并没有进行预热的过程。从实际的控制效果来看,粉末预热、预烧结可以有效的提升粉末的支撑能力,也能够有效的降低应力场。在这个方面,靖哥将进一步的跟进。

三. 技术存在的挑战
“有条件”的无支撑。靖哥观察到所有零件的一个共同点,上层层片每一枝的打印都是从下层连续过渡,即一个枝上的打印应该是从下面可以和底板所相连的某一个点(面)出发;而不是直接浮在粉床层上来打印的。
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图6. 无支撑的样品需符合上层层片从下层连续过渡(图片:Velo3D)

如下图的设计可见,打印方向设定为从底部向顶部打印,则中间部分最底层无法从更下层的层片中某一点或者面所延伸出来,而这种模型Velo3D的无支撑并不适合。
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图7. Velo3D无支撑不适用的零件模型(图片:Stratasys)

当然Velo3D也对其适用性做了一定的说明:
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图8. Velo3D无支撑打印对模型的限制

打印成本高。打印成本的构成由打印设备的价格和打印的时间共同构成。Velo设备当前的售价大约为200万美金,远高于同种成形尺寸的激光金属3D打印设备。另一方面,Velo3D铺粉时间长。Velo3D在打印过程中独特的铺粉工艺,当前每层粉末的铺粉时间约1分钟。如果打印一个100mm高的产品,那么按照50um的层厚,需要2000层完成。仅铺粉时间就需要大约30小时。因而这些共同的因素决定Velo3D所打印的零件成本相对更高。

低倾角机械强度等未知性。Velo3D展示其成形件测试的强度超过了铸造件的强度,但是并未明确指出所对应的倾角,靖哥推论为大倾角的样件测试。Velo3D在实现小倾角无支持打印时,最底面的粉末熔化可能未完全,以避免高温度场造成的翘曲。就像粉末层预热使粉床预烧结一样,而后在其上第二层、第三层逐渐增加功率达到所需强度。如果工艺参数处理得当,可能影响仅停留在表层。而该领域的用户多在军工领域,会对产品进行HIP等处理,进一步消除其影响。但是其孔隙率和粗糙度依然会对疲劳性能等产生负面影响。

四. 应用领域
鉴于其低成形速度、高设备成本;其经济适用领域的要求是:
零件复杂度极高、产量要求低、成本不敏感的研发部门,即主要在国防和军工部门。
考虑该公司的金主和客户,虽然还没有确定,但是估计这款设备大概率会对中国实施禁运。
同志仍需努力。

五. 总结
1. Velo3D在铺粉的工艺上做到了行业的前沿,无接触式铺粉为精细结构和无支撑的打印提供硬件层面的可能性;
2. Velo3D的算法和软件开发,也是其成功的关键组成。实时动态的控制工艺上获得了极大的推进,能够在同等硬件的条件下,对于关键参数进行高效、精准的控制。

【彩蛋来了】
Aspect Ratio比例达到一定程度,再谈大的Aspect ratio本身价值也是比较有限的,因为超过一个值,理论上就可以达到无限大了。感兴趣的朋友可以就这一个方向做研究,应该是可以发几篇很不错的学术文章的,可以分为模拟、实验以及二者的结合的。
前文讲到,细杆径在打印的过程会受到热应力和铺粉过程的干扰。热应力在很多细杆中可以通过对称设计克服;而铺粉过程中velo3D可以无接触不施加压力,其它的工艺则需要考虑铺粉对于细杆的压力。
如下图所示:
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辊子铺粉对细杆作用分析图

当细杆直径 Velo3D深度-无支撑背后的支撑靖哥3D打印 (7).jpg 时,铺粉过程的剪切力对于杆的弯折效果可以忽略,杆可以无限延伸;
当细杆直径 Velo3D深度-无支撑背后的支撑靖哥3D打印 (6).jpg 时,铺粉过程的剪切力对于杆的弯折效果不可忽略,且铺粉后细杆不能完全恢复到在XOY平面所对应的值,并残留偏移量为 Velo3D深度-无支撑背后的支撑靖哥3D打印 (5).jpg ,L为该杆与底板距离。当 Velo3D深度-无支撑背后的支撑靖哥3D打印 (4).jpg 时,上下两层没有重合区域,打印失败。
因为粉末层对于杆径偏折的支撑作用,当 Velo3D深度-无支撑背后的支撑靖哥3D打印 (3).jpg 时,杆径的增加不会带来更大的偏折量。
因而当 Velo3D深度-无支撑背后的支撑靖哥3D打印 (2).jpg ,则该细杆既可以Lo为Z轴方向的周期,无限延长下去。当然打印出来的细杆的质量就取决于细杆的偏折量。也许双向铺粉的设备会有所改善吧。
一定程度这是Velo3D为自己的技术创造出的一个亮点。毕竟一旦突破了一个数值阈值,要达到更高的数值那就是粉箱的深度问题了。

【靖哥评论】
基于历史的原因,我们更相信机器这类看得见、摸得着的实体的价值。
在中美贸易摩擦之际,有人悉数中国在软件领域对外的依赖,从动力装备到电子装备,从办公软件到军工软件,不一一列举。
靖哥在某司工作期间,也曾经历过仅改变工艺参数,能够将成形成功率提升110%这样的事件。今天在硬件趋于大同,而细节决定成败之时,望各位业内同仁们可以考虑在工艺中、软体中进一步的深入。
软硬都要抓,两手都要硬。

感谢马学为博士的校正、编辑。

引用
1. https://www.velo3d.com/patents/此链接中有Velo3D的专利信息

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