通過3D打印機制作一次性或小批量的零部件與在批量生產中實現(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.

專為生產而設計的設備

     3D打印誕生的“土壤”是原型和快速制造，面臨生產領域對于效率、質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前工藝所面臨的挑戰(zhàn)，從而推動增材制造技術在批量零件制造中實現(xiàn)更廣泛的應用。

那么，金屬增材制造在生產中可行性的要求是什么？

- 必須是可預測的：您無法花費數(shù)小時或數(shù)天的時間來通過反復試驗為了制作第一個合格的零部件。

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

- 必須準確：在更高的速度和更復雜的零件上，需要更好的過程控制來始終如一地生產高質量的零件，同時減少后處理或返工。

- 必須穩(wěn)定：在生產環(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)從的設計目的是為了用于生產工作，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，以確保在多個零件加工中保持質量的穩(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)金屬熔化領域的“45度規(guī)則”。可以在不需要支撐的情況下打印角度低至10度的零件特征。

Velo 3D 的3D打印設備。來源：Velo 3D

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

面向生產的零件。來源：Velo 3D

消除生產障礙

     當前制約金屬增材制造技術實現(xiàn)成本有效地進行批量生產的主要障礙是，如何保持構建過程質量的可靠性。特別是對于多激光3D打印設備來說，質量的控制是一大挑戰(zhàn)。例如，激光光斑尺寸對性能有顯著影響。由于校準不良，氣流或其他因素，容易發(fā)生2-3倍的光斑尺寸變化。

從左上角順時針方向：定子和風扇，徑向渦輪機葉輪，噴嘴，熱交換器。來源：Velo 3D

     直到最近，還沒有特別實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個月通過外部引入校準技術人員，以使3D打印機恢復到精確的工作狀態(tài)。Velo3D的解決方案是集成計量系統(tǒng)，可測量關鍵過程變量，然后自動重新校準機器。校準程序測量機器工作范圍包括校準49個點的精度和一致性。只需按一下按鈕，操作員就可以隨時運行它。Velo3D的Sapphire 3D打印機還可在每次構建之前自動檢查耗材的級別或壽命 – 例如過濾器，篩子和粉末供應 – 并在機器監(jiān)視器上顯示相關信息。

     生產多激光系統(tǒng)的另一個因素是不同激光頭的相鄰表面之間的縫合質量。激光必須完美對齊，以創(chuàng)建光滑，無縫的表面。3D科學谷了解到，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構完整性。

      此外，隨著構建方向沿著垂直的Z軸前進，XY軸對準可能會漂移，因此必須進行過程跟蹤并進行校正以確保整個構建的對齊。如果沒有過程跟蹤，可能會在最終的零部件產生嚴重缺陷，從而導致需要返工或額外的后期處理。Velo3D的傳感器系統(tǒng)實時解決了這個問題，通過在構建的每一層的工件表面上大約500個點處的相鄰激光點覆蓋過程中的監(jiān)視，當檢測到未對準時，系統(tǒng)會在控制系統(tǒng)中自動調整。這是一種手段，不僅可以使單個零部件達到更高的精度和表面質量，而且可以在多個零部件的加工中提高質量穩(wěn)定性。

過程中控制

    3D打印機的構建室內有很多因素會影響金屬增材制造工藝的質量和一致性。一個是氣體的質量，如果存在氧氣，氧氣可能與材料發(fā)生氧化反應，這些會限制粉末的再利用，并且可能在零部件制造過程中產生不一致的機械性能。對于許多材料來說，惰性氣氛更好，Velo3D的設備將氧氣限制在1ppm以下并應用恒定濕度監(jiān)測。氣流也很重要，因為殘留的煙灰顆粒會使激光束模糊，從而降低激光導入粉末的能量強度。常規(guī)方法是引導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，并且不均勻的氣流導致煙灰積聚，從而造成零件不一致的機械性能和表面粗糙度。

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

   通過系統(tǒng)來持續(xù)監(jiān)控熔池熱量的能力也很重要，熔池監(jiān)控不僅僅是傳感器的技術，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生方式和原因。根據(jù)3D科學谷的市場觀察，這一點，在市場上的選區(qū)金屬熔化金屬3D打印設備中已經獲得了廣泛的應用，可以說并非是Velo3D的差異化特點。

     Velo3D的一個差異化特點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，如果不仔細管理，可能會導致與突出部件發(fā)生摩擦“碰撞”，從而碰壞零件的內部特征。

      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”。設備還可以檢測粉末床條紋并通過在涂覆機中運行清潔循環(huán)來自動校正以釋放粘附的粉末顆粒。最后，對于大批量生產，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)建一個生成與設計意圖相匹配的零件。這是關于預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。沒有強大的軟件來輔助這個功能，制造出第一個符合要求的零部件可能是一個漫長的試錯過程。

Flow軟件預測過程的翹曲并相應地自動調整打印程序。來源：Velo 3D

   導入3D CAD文件后，F(xiàn)low?軟件的模擬引擎會自動分析設計，預測打印中的變形，并生成補償構建程序，該軟件可識別許多零件特征，并為每個特征獨立應用優(yōu)化的構建過程。它還可以預測部分風險和故障，在開始構建過程之前驗證打印的可執(zhí)行性。

      他山之石可以攻玉，Velo 3D作為SLM金屬3D打印領域的后起之秀，針對進入生產領域對設備帶來的挑戰(zhàn)與痛點發(fā)力，這或許可以成為國內設備廠商發(fā)展方向的借鑒。