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Velo3D深度-無支撐背后的支撐|靖哥3D打印 

2020-12-11 09:52
編者按:本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”(ID:gh_d599e1b42ab3)作者:靖哥,3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

也就是引言:人類在自身機體和工程領(lǐng)域的上限,一旦第一次突破,而后就會有更多的突破…

一家名為Velo3D的公司,以“無支撐打印”這項王冠最近又獲得了4000萬美金的投資,累計融資約1.4億美金。Velo3D隨后宣布獲得了美國某航空領(lǐng)域的客戶2000萬美金的訂單。雖然在大洋彼岸,這條消息著實讓3D打印設(shè)備領(lǐng)域的伙伴們?yōu)橹畾g呼。靖哥帶大家深度分析這無支撐之后的技術(shù)支撐。

這款設(shè)備的尺寸在同類型的打印機中,外形相比更大一些,會不會內(nèi)有乾坤呢?
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圖1. Velo3D Sapphire設(shè)備(來源:Velo3D)

我們先看一下這款售價約為200萬美金設(shè)備的基本參數(shù):
微信圖片_20201211095633.jpg

一. 亮點聚焦
1.      大高徑比(Aspect Ratio)3000:1;
2.      0~10°無需支撐的激光金屬3D打印。

大高徑比(Aspect Ratio)的打印能力。Aspect Ratio一般的翻譯是:長寬比、縱橫比等;在3D打印領(lǐng)域一般理解是高度與高度方向的較細結(jié)構(gòu)的直徑/邊長之比,因而靖哥覺得可以翻譯為高徑比。比如打印一個直徑1mm,高度100mm的圓柱體,那么它的高徑比就是100:1。因細桿徑在成形中受到較大熱應力、剪切力的影響,因而得到大高徑比的樣品比較困難,但是在一定的范圍內(nèi),甚至可以獲得無限大的高徑比(文末有彩蛋)。

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圖2. Velo3D高徑比3000:1的樣品展示(來源:Velo3D)

無支撐打印。相比于大數(shù)值的高徑比,業(yè)內(nèi)更有吸引力,更具實用價值的是無支撐打印。因為支撐的設(shè)計過程,尤其是支撐的去除過程,行業(yè)人員苦其久矣…而大量的金屬零件打印過程往往需要支撐來實現(xiàn)成功的打印。
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圖3. 95%的金屬零件需要支撐(來源:Velo3D)

而支撐的去除,一般存在著降低表面質(zhì)量,破壞脆弱結(jié)構(gòu),甚至對于開放性差的一些設(shè)計,支撐去除幾乎是不可能的。

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圖4. 支撐結(jié)構(gòu)對比。左:難以去除的常規(guī)支撐;右:無支撐(圖片:Velo3D)

金屬3D打印中,支撐一般會有兩個作用:
1. 為“空中樓閣”搭上桁架,以實現(xiàn)小傾角區(qū)域的成功打印。
2. 限制打印過程中應力可能導致的翹曲變形。

粉床成形工藝中粉床天然的提供一定的支撐。在FDM、DED等工藝中,上層的成形可能完全沒有下層材料的支撐,因而懸空結(jié)構(gòu)支撐常常是必要的。對于粉床成形,成形過程是完全在粉床的支撐下,所以對于低應力的成形方式,如粘結(jié)劑成形(VoxelJet,MJF)技術(shù),則可以無支撐;但是對于熔化過程熱量很大的金屬材料,相對疏松的粉床無法對成形材料產(chǎn)生足夠的熱傳導和固定,因而應力常造成翹曲變形。輕微的翹曲變形會影響鋪粉的質(zhì)量,并造成成形件中的缺陷,嚴重的翹曲會導致成形失敗。
在這樣的考慮下,支撐的兩個作用合二為一:支撐的實際作用是為了避免應力造成的翹曲。

二. 無支撐背后的技術(shù)支撐

1. 無接觸的鋪粉方式。Velo3D的鋪粉技術(shù),是其無支撐打印和大高徑比的關(guān)鍵技術(shù)。

大高徑比的成形。為什么大的高徑比難以達到呢?這里的隱含背景是其沿Z軸方向的桿徑或者結(jié)構(gòu)比較細。在光桿、刷子等模式的鋪粉工藝中,鋪粉桿/刷移動時會向前方和下方施加力,該力將粉末向前推動并一定程度上壓實。粉床表層的成形件,會受到一個彎折的力矩;越細的結(jié)構(gòu)就越容易在該力的作用下發(fā)生形變甚至斷裂。即便細桿徑?jīng)]有斷裂,在鋪粉完成后可能該細桿頂端并未完全回到其在XY平臺上所應對應的坐標;從而導致下一層與上一層的結(jié)合出現(xiàn)錯位,這樣打印出的零件側(cè)面粗糙,嚴重者甚至會沒有足夠的銜接而斷掉。
因此,對于細桿徑成形,加壓式的每一次鋪粉無疑都可能是致命的傷害。
古詩有云:
綽約多逸態(tài),粉中自搖曳;
奈何摧花手,枝殘葉何在?

而Velo3D的鋪粉方式為無接觸式鋪粉。鋪粉機構(gòu)將粉末在激光掃描完成后的粉床上灑下,該鋪粉機構(gòu)與粉床表層具有較大的安全距離,不會接觸到細桿、或產(chǎn)生一定翹曲的掃描區(qū);下粉結(jié)束后以一定的機制將冗余的粉末吸走。這一吸的過程據(jù)部分用戶講是真空驅(qū)動式的,類似于吸塵器;但也有可能是靜電式的,其專利對此有較細的描述。
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圖5. Velo3D無接觸鋪粉過程(見引用1US20160207109)

在消除鋪粉過程對于成形層的影響,實際上先前有其它公司也做過嘗試。已經(jīng)被3D Systems收購的Phoenix公司,也曾開發(fā)用滾輪的方式來送粉,其在精細結(jié)構(gòu)的打印上也具有很好地表現(xiàn)。因而對于精細結(jié)構(gòu)打印、無支撐有考慮的公司,可以在降低鋪粉過程對于已成形部分的壓力和剪切力上再多下功夫。
當然,Velo3D這種無接觸的方式最大程度的降低了對細桿徑的干擾,鋪粉過程對于纖纖細桿,猶如清風拂面。
古詩亦云:
流粉自天降,銀珠當薄裳;
清風似拂面,恬然兮無恙。

2. 動態(tài)的掃描控制能力。對于低傾角/無支撐的打印,在起始幾層的打印毫無疑問是關(guān)鍵的,當然如果低傾角貫穿這個打印零件,那么整個零件的打印參數(shù)都需要一定程度上動態(tài)控制。這需要高效的算法對于成形過程計算進行規(guī)劃,以使得掃描速度、功率等得到參數(shù)的優(yōu)化。而Velo3D所說的實時反饋,其重要性還有待考證。實時控制需要實時紅外觀測、歷史數(shù)據(jù)迭代以及最困難的,強大的計算能力??紤]到鋪粉的時間為1分鐘左右,那么Velo3D的模擬所能達到的作用是有限的。如果大家還記得2015年LLNL(美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室)展示的模擬能力,一條線段的激光金屬掃描,花費了1百萬CPU小時。如果Velo3D確實實現(xiàn)了實時模擬,那么這種實時的模擬強大的確到了一定程度,那么其龐大身軀下可能真就是大型服務器了。

3. 可能的預熱控制等。之所以用可能,是因為Velo3D在其專利中花了大量的篇幅進行溫度場預熱方案的描述及保護;但是在設(shè)備性能的描述,以及靖哥了解到當前Sapphire打印機用戶的反饋,提到并沒有進行預熱的過程。從實際的控制效果來看,粉末預熱、預燒結(jié)可以有效的提升粉末的支撐能力,也能夠有效的降低應力場。在這個方面,靖哥將進一步的跟進。

三. 技術(shù)存在的挑戰(zhàn)
“有條件”的無支撐。靖哥觀察到所有零件的一個共同點,上層層片每一枝的打印都是從下層連續(xù)過渡,即一個枝上的打印應該是從下面可以和底板所相連的某一個點(面)出發(fā);而不是直接浮在粉床層上來打印的。
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圖6. 無支撐的樣品需符合上層層片從下層連續(xù)過渡(圖片:Velo3D)

如下圖的設(shè)計可見,打印方向設(shè)定為從底部向頂部打印,則中間部分最底層無法從更下層的層片中某一點或者面所延伸出來,而這種模型Velo3D的無支撐并不適合。
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圖7. Velo3D無支撐不適用的零件模型(圖片:Stratasys

當然Velo3D也對其適用性做了一定的說明:
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圖8. Velo3D無支撐打印對模型的限制

打印成本高。打印成本的構(gòu)成由打印設(shè)備的價格和打印的時間共同構(gòu)成。Velo設(shè)備當前的售價大約為200萬美金,遠高于同種成形尺寸的激光金屬3D打印設(shè)備。另一方面,Velo3D鋪粉時間長。Velo3D在打印過程中獨特的鋪粉工藝,當前每層粉末的鋪粉時間約1分鐘。如果打印一個100mm高的產(chǎn)品,那么按照50um的層厚,需要2000層完成。僅鋪粉時間就需要大約30小時。因而這些共同的因素決定Velo3D所打印的零件成本相對更高。

低傾角機械強度等未知性。Velo3D展示其成形件測試的強度超過了鑄造件的強度,但是并未明確指出所對應的傾角,靖哥推論為大傾角的樣件測試。Velo3D在實現(xiàn)小傾角無支持打印時,最底面的粉末熔化可能未完全,以避免高溫度場造成的翹曲。就像粉末層預熱使粉床預燒結(jié)一樣,而后在其上第二層、第三層逐漸增加功率達到所需強度。如果工藝參數(shù)處理得當,可能影響僅停留在表層。而該領(lǐng)域的用戶多在軍工領(lǐng)域,會對產(chǎn)品進行HIP等處理,進一步消除其影響。但是其孔隙率和粗糙度依然會對疲勞性能等產(chǎn)生負面影響。

四. 應用領(lǐng)域
鑒于其低成形速度、高設(shè)備成本;其經(jīng)濟適用領(lǐng)域的要求是:
零件復雜度極高、產(chǎn)量要求低、成本不敏感的研發(fā)部門,即主要在國防和軍工部門。
考慮該公司的金主和客戶,雖然還沒有確定,但是估計這款設(shè)備大概率會對中國實施禁運。
同志仍需努力。

五. 總結(jié)
1. Velo3D在鋪粉的工藝上做到了行業(yè)的前沿,無接觸式鋪粉為精細結(jié)構(gòu)和無支撐的打印提供硬件層面的可能性;
2. Velo3D的算法和軟件開發(fā),也是其成功的關(guān)鍵組成。實時動態(tài)的控制工藝上獲得了極大的推進,能夠在同等硬件的條件下,對于關(guān)鍵參數(shù)進行高效、精準的控制。

【彩蛋來了】
Aspect Ratio比例達到一定程度,再談大的Aspect ratio本身價值也是比較有限的,因為超過一個值,理論上就可以達到無限大了。感興趣的朋友可以就這一個方向做研究,應該是可以發(fā)幾篇很不錯的學術(shù)文章的,可以分為模擬、實驗以及二者的結(jié)合的。
前文講到,細桿徑在打印的過程會受到熱應力和鋪粉過程的干擾。熱應力在很多細桿中可以通過對稱設(shè)計克服;而鋪粉過程中velo3D可以無接觸不施加壓力,其它的工藝則需要考慮鋪粉對于細桿的壓力。
如下圖所示:
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輥子鋪粉對細桿作用分析圖

當細桿直徑
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時,鋪粉過程的剪切力對于桿的彎折效果可以忽略,桿可以無限延伸;
當細桿直徑
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時,鋪粉過程的剪切力對于桿的彎折效果不可忽略,且鋪粉后細桿不能完全恢復到在XOY平面所對應的值,并殘留偏移量為
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,L為該桿與底板距離。當
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時,上下兩層沒有重合區(qū)域,打印失敗。
因為粉末層對于桿徑偏折的支撐作用,當
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時,桿徑的增加不會帶來更大的偏折量。
因而當
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,則該細桿既可以Lo為Z軸方向的周期,無限延長下去。當然打印出來的細桿的質(zhì)量就取決于細桿的偏折量。也許雙向鋪粉的設(shè)備會有所改善吧。
一定程度這是Velo3D為自己的技術(shù)創(chuàng)造出的一個亮點。畢竟一旦突破了一個數(shù)值閾值,要達到更高的數(shù)值那就是粉箱的深度問題了。

【靖哥評論】
基于歷史的原因,我們更相信機器這類看得見、摸得著的實體的價值。
在中美貿(mào)易摩擦之際,有人悉數(shù)中國在軟件領(lǐng)域?qū)ν獾囊蕾?,從動力裝備到電子裝備,從辦公軟件到軍工軟件,不一一列舉。
靖哥在某司工作期間,也曾經(jīng)歷過僅改變工藝參數(shù),能夠?qū)⒊尚纬晒β侍嵘?10%這樣的事件。今天在硬件趨于大同,而細節(jié)決定成敗之時,望各位業(yè)內(nèi)同仁們可以考慮在工藝中、軟體中進一步的深入。
軟硬都要抓,兩手都要硬。

感謝馬學為博士的校正、編輯。

引用
1. https://www.velo3d.com/patents/此鏈接中有Velo3D的專利信息

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