VELO3D無支撐金屬3D打印技術(shù)，讓Boom超音速飛機(jī)實(shí)現(xiàn)超復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)

南極熊導(dǎo)讀：金屬3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,，正在加速,。最近國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)幾千萬甚至近億元的金屬3D打印大訂單。如果你有一些獨(dú)到的技術(shù),，可以解決某些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的核心痛點(diǎn)（例如在保證強(qiáng)度性能的前提下,，高度薄壁、極度復(fù)雜不希望有支撐結(jié)構(gòu),、高長寬比等需求）,，就可以開拓出全新的市場業(yè)務(wù)應(yīng)用，創(chuàng)造需求,！

下面,，我們將以全球首款商業(yè)超音速飛機(jī)Boom 的XB-1為例，詳細(xì)說說無支撐金屬3D打印技術(shù)如何助力實(shí)現(xiàn)超復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu),。

2019年,，Boom Supersonic團(tuán)隊(duì)與VELO3D建立了一些試驗(yàn)部件的合作關(guān)系，之后使用下一代激光粉末床融合(LPBF)技術(shù)，為XB-1飛機(jī)測(cè)試生產(chǎn)了一些打印的鈦合金部件 ,。這些部件包括：
●可變旁通閥(VBV)系統(tǒng)的歧管,，主要用于將發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)釋放的空氣輸送到飛機(jī)的外模線(OML)；
●環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)的出口百葉,，對(duì)駕駛艙和系統(tǒng)艙進(jìn)行冷卻,；百葉將中心進(jìn)氣口的二次放氣流引導(dǎo)到OML；
●以及NACA管道和兩個(gè)分流法蘭部件,，NACA管道經(jīng)常用于高速飛機(jī),，以捕獲外部空氣并將其導(dǎo)入飛機(jī)以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)艙。

所有零件都是在VELO3D藍(lán)寶石系統(tǒng)上打印的,。

復(fù)雜零件的唯一選擇

Boom的許多3D打印部件都與引導(dǎo)空氣有關(guān),，并包含復(fù)雜的葉片、管道和百葉,。一些通過這些部件的空氣超過500華氏度,。這些部件的幾何復(fù)雜性要求采用基于表面的設(shè)計(jì)方法。Boom工程師Byron Young說："快速移動(dòng)的空氣接觸到表面,，會(huì)極大地影響效率和性能的,。因此，在設(shè)計(jì)這些零件時(shí),，你通常從空氣動(dòng)力學(xué)輪廓開始,，然后修剪、切角和加厚表面,，一步步建模,。由此產(chǎn)生的零件非常復(fù)雜，這意味著它們肯定需要通過3D打印來制造,。"

2020年秋天,，Boom Supersonic公司的XB-1超音速演示機(jī)在丹佛機(jī)庫亮相，使超音速空中旅行的夢(mèng)想更加接近現(xiàn)實(shí),。XB-1展示了比協(xié)和式飛機(jī)更先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造,。

其實(shí)，Boom Supersonic設(shè)計(jì)和工程團(tuán)隊(duì)很早就知道3D打印部件已經(jīng)在許多現(xiàn)有的飛機(jī)上安裝使用,，那時(shí)候就已經(jīng)開始考慮采用增材制造來生產(chǎn)一些最復(fù)雜的部件,。

Young證實(shí)道："選擇3D打印技術(shù)而不是其他技術(shù)的原因有很多，使用3D打印有很大的設(shè)計(jì)靈活性,。以前,，你可能會(huì)通過制造多個(gè)零件并將它們焊接或螺栓連接在一起，或者通過使用復(fù)雜的碳纖維工具來達(dá)到類似的效果,。但這需要大量的工程時(shí)間,，往往也需要更多的制造時(shí)間,。"

"工程師們總是試圖在工作中節(jié)省時(shí)間，飛機(jī)設(shè)計(jì)中的大部分時(shí)間和精力都用在了接頭,、零件之間的接口上,。通過直接為增材制造設(shè)計(jì)，我們可以減少零件和接頭的數(shù)量,，這也減少了時(shí)間和工作量,。而且零件整合可以削減大量的重量，這也是飛機(jī)設(shè)計(jì)的重中之重,。"
VELO3D是直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）增材制造系統(tǒng)和打印準(zhǔn)備軟件的開發(fā)商,，發(fā)明了SupportFree Geometries無支撐金屬3D打印技術(shù)。

幾乎在每一個(gè)案例中,，VELO3D的無支撐金屬3D打印機(jī)都能夠很好打印Boom的CAD設(shè)計(jì)零件,，而沒有太多缺陷。VELO3D的應(yīng)用工程師Gene Miller說："我們確實(shí)使用了系統(tǒng)的Flow預(yù)打印軟件,，在NACA管道較薄的壁面上添加了一些結(jié)構(gòu)肋條,，但有所限制,。但在大多數(shù)情況下,，打印出來的零件非常高度還原了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。"

Young表示："藍(lán)寶石系統(tǒng)使我們能夠打印薄至20thou（0.02英寸,，或750μ）的壁,，大多數(shù)情況下不太需要做表面處理。"

Miller與Boom Supersonic的設(shè)計(jì)工程師和Duncan Machine Products (DMP)密切合作,，Duncan Machine Products是處理打印和后處理的供應(yīng)鏈合作伙伴,。"Boom專門為他們的新型飛機(jī)設(shè)計(jì)了所有這些零件，他們?yōu)橐龑?dǎo)流動(dòng)而創(chuàng)建的獨(dú)特的幾何形狀類型,，重點(diǎn)是減輕重量,，不能用金屬板或鑄造或任何其他方式來完成。要想同時(shí)獲得復(fù)雜設(shè)計(jì)和減輕重量,，唯一的選擇就是用金屬增材制造來做,。"

VELO3D 的非接觸式鋪粉系統(tǒng) 所帶來的高長寬比（高度與寬度）是另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。為了減輕重量,，中心進(jìn)氣口的放氣百葉上的葉片是中空打印的,，而且零件的設(shè)計(jì)具有高長寬比（沿著長跨度的壁非常薄）,。Miller說："因?yàn)槲覀兊募夹g(shù)提供了在這種設(shè)計(jì)中打印這種非常高的縱橫比的能力,，所以我們不需要多余的材料來保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部的強(qiáng)度，而且我們可以將這些風(fēng)道葉片生長得非常高,，而不會(huì)受到鋪粉機(jī)的干擾,。"

航空航天工程師的痛點(diǎn)

所有項(xiàng)目成員都認(rèn)為,，這個(gè)項(xiàng)目的最大挑戰(zhàn)之一是與Boom 鈦合金3D打印部件。 DMP增材制造工程師Aaron Miller說："與鋁或碳纖維相比,，鈦合金在高溫下的強(qiáng)度損失較少,，而且它的強(qiáng)度重量比更高。"

但輕質(zhì),、極耐高溫的鈦,，在整個(gè)航空航天工業(yè)中廣泛用于關(guān)鍵部件也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是無論如何制造,，它都難以加工,，容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。如果鈦的冷卻速度過快,，就會(huì)變得很脆,，容易開裂。

Gene承認(rèn)："Boom設(shè)計(jì)了一系列全新的金屬零件,，真正推動(dòng)了輕量化和薄壁幾何形狀的發(fā)展 ,，3D打印這些鈦合金零件，我們有很多東西要學(xué)習(xí),。它將如何移動(dòng),？哪些地方可以在沒有支撐的情況下進(jìn)行打印，哪些地方需要支撐,？"

這就是過程控制的關(guān)鍵所在,，VELO3D的非常注重質(zhì)量控制。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種獨(dú)特的增材制造工藝,，優(yōu)化了打印參數(shù)和序列,，以生產(chǎn)堅(jiān)固的鈦部件。Gene解釋說："這減少了基板中的內(nèi)應(yīng)力,，因?yàn)椴牧鲜窃赯構(gòu)建方向上建立的,，它通過緩解冷卻過程中形成的內(nèi)應(yīng)力，減少了開裂的可能性,。"

XB-1的鈦部件

質(zhì)量控制貫穿整個(gè)制造過程,，從Flow預(yù)打印軟件開始，通過藍(lán)寶石系統(tǒng)執(zhí)行,，并通過Assure的質(zhì)量保證進(jìn)行驗(yàn)證,。只需點(diǎn)擊一下，就能實(shí)現(xiàn)制造前的機(jī)器校準(zhǔn),，自動(dòng)檢查關(guān)鍵變量,，如激光對(duì)準(zhǔn)、光束穩(wěn)定性,、粉末床質(zhì)量等,。過程中計(jì)量監(jiān)控各種關(guān)鍵指標(biāo),，并標(biāo)記這些異常。所有零件的綜合構(gòu)建報(bào)告都會(huì)被編制并保存起來,，供將來參考,。南極熊認(rèn)為，這種高度質(zhì)量控制的系統(tǒng),，很值得我們中國的廠商學(xué)習(xí),。

Aaron說："從構(gòu)建板分離之后，除了最小的支撐物拆除之外,，我們打印出來的金屬零件在后加工方面幾乎沒有什么可做的,，基本沒有什么支撐，因?yàn)镾upportFree技術(shù)消除了這些需求,。從藍(lán)寶石系統(tǒng)中出來的零件幾乎就是成品了,，只需要用螺絲刀或研磨機(jī)做一點(diǎn)手工工作。我們也會(huì)用銑刀鉸出試點(diǎn)孔（在較大的零件上）,，以確保尺寸正確,。這取決于零件，但每個(gè)零件大概只需要半個(gè)小時(shí)的加工時(shí)間,，這并不是什么大問題,。"

剛出爐的零件精加工用輪廓儀測(cè)試，平均記錄約250 RA,。Aaron說："如果客戶想達(dá)到125 RA,，只需要用蒸汽磨光機(jī)幾分鐘就能實(shí)現(xiàn),，到目前為止,，Boom還沒有要求我們調(diào)高零件的表面光潔度，他們現(xiàn)在專注于幾何形狀和零件強(qiáng)度,，但如果需要更光滑的表面,，那很容易實(shí)現(xiàn)。"

三家公司齊心協(xié)力,，成功為Boom Supersonic的XB-1超音速演示機(jī)生產(chǎn)3D打印部件,，大家都從合作中學(xué)到了很多東西。Boom團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，3D打印比他們?cè)O(shè)想的要復(fù)雜,，但也能實(shí)現(xiàn)他們最初的設(shè)計(jì)意圖。而DMP公司也大大擴(kuò)展了他們的3D打印專業(yè)技術(shù),，繼續(xù)購買了第三臺(tái)藍(lán)寶石機(jī)器,。Aaron說："由于我們?cè)谠霾闹圃旆矫娴哪芰Γ覀儷@得了很多新業(yè)務(wù)訂單,。"

無支撐金屬3D打印技術(shù)
VELO3D是直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）增材制造系統(tǒng)和打印準(zhǔn)備軟件的開發(fā)商,，發(fā)明了SupportFree Geometries無支撐金屬3D打印技術(shù),。成立于2014年，最初4年默默研發(fā),，2015年獲得A輪融資2210萬美元,；于2018年在國際制造技術(shù)展（IMTS）上首次披露了其藍(lán)寶石DMLS系統(tǒng)。藍(lán)寶石系統(tǒng)的關(guān)鍵是VELO3D的智能融合技術(shù),，它可以模擬和預(yù)測(cè)零件變形,，消除支撐結(jié)構(gòu)。智能融合工藝通過調(diào)整零件設(shè)計(jì)來平衡變形,，并配合前饋閉環(huán)熔池控制和原位計(jì)量數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn),，生產(chǎn)出的零件幾乎沒有支撐結(jié)構(gòu)。

金屬增材制造或3D打印,，主要是以熔池快速固化的焊接工藝,。在凝固和冷卻過程中，零件會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力,。支撐有兩個(gè)作用：一是作為固定件,，固定零件，防止熱變形而移動(dòng),；二是熱傳導(dǎo),。臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)是直接能量沉積(DED)和傳統(tǒng)的粉末床熔融(PBF)技術(shù)所必須的，通常需要打印完成后加工操作去掉,。后期處理增加了成本,，使周期延長。更重要的是,，它限制了金屬3D打印的設(shè)計(jì)自由度,。

幾十年來，金屬3D打印公司一直依靠支撐結(jié)構(gòu)將零件固定在構(gòu)建板上,，并進(jìn)行熱處理,。一般情況下，我們已經(jīng)開始依賴這些支撐來輔助打印小于45°的低角度結(jié)構(gòu),。但是,，這些低角度的幾何形狀也是在零件整合過程中，在裝配體不可進(jìn)入的內(nèi)部通道中容易產(chǎn)生支撐,。通過使用支撐物將零件固定在構(gòu)建板上,，在一定程度上將3D打印固定在原型設(shè)計(jì)上。

VELO3D與現(xiàn)有的粉末床熔接解決方案不同,，具有獨(dú)特的能力,，可以打印低角度和低至0°（水平）的懸垂，以及大直徑和高達(dá)100mm的內(nèi)管,，而無需支撐,。這不僅省去了后處理的麻煩,，而且克服了 45°法則——角度小于45°的就需要支撐。VELO3D讓設(shè)計(jì)師可以自由地構(gòu)建,，釋放出大量可以3D打印生產(chǎn)的設(shè)計(jì),。

據(jù)VELO3D介紹，其核心技術(shù)是專利的刮刀工藝（re-coater process）,，稱之為非接觸式刮刀,。它不是使用傳統(tǒng)的接觸刮刀鋪粉機(jī)制，而是使用了非接觸式技術(shù),，好處非常多,。非常擅長生產(chǎn)高寬比、薄壁零件,、大型件等,。簡而言之，鋪粉時(shí)刀片不與金屬粉床接觸,。粉末鋪展完畢后,，進(jìn)行一種刮刀非接觸式過程在粉末上面，以確保粉末絕對(duì)平整,。同樣,，這些都不與實(shí)際的床身或部件接觸，實(shí)現(xiàn)高自由度,，從而實(shí)現(xiàn)無支撐金屬3D打印,。

其官網(wǎng)上說得比較含糊，到底這個(gè)無支撐金屬3D打印技術(shù)有何奧妙之處,？

截止2020年6月,，VELO3D已有約35項(xiàng)專利獲得授權(quán)。南極熊發(fā)現(xiàn),，他們不但在美國,、歐洲申請(qǐng)專利,，同時(shí)也有其中一些專利早早在中國申請(qǐng)了相關(guān)專利,，由此可見他們對(duì)專利保護(hù)的重視。南極熊已經(jīng)收集到這35項(xiàng)專利申請(qǐng)書,，里面有詳細(xì)的技術(shù)介紹,，很多專利都超過100頁！希望對(duì)大家有啟發(fā),。例如

專利1.“精湛的三維打印CN108698126A”,。2016年12月9日提交•2018年10月23日發(fā)布。本公開提供了用于3D打印的各種儀器和系統(tǒng),。本公開提供三維(3D)打印方法,、儀器,、軟件和系統(tǒng)，以用于步進(jìn)和重復(fù)能量照射過程,；控制3D物體的材料特征和/或變形,；減少打印的3D物體中的變形；并且使材料床平坦化,。

專利2.“準(zhǔn)確的三維打印CN108883575A”,。優(yōu)先權(quán)2016-02-18•申請(qǐng)日期2017-02-16•發(fā)布2018-11-23。本公開提供了三維(3D)打印方法,、儀器和系統(tǒng),，其尤其使用調(diào)節(jié)至少一個(gè)3D物體的形成(例如在3D打印期間實(shí)時(shí))的控制器；以及促進(jìn)其的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),。例如,，調(diào)節(jié)3D物體的至少一部分的變形的控制器�,？刂瓶蔀樵豢刂�,。控制可為在3D打印過程期間的實(shí)時(shí)控制,。例如,，控制可在現(xiàn)象脈沖期間。本公開提供了用于評(píng)估熔池的基本長度尺度的各種方法,、儀器,、系統(tǒng)和軟件，以及增加3D打印的準(zhǔn)確度的各種工具,。

專利3. “無支撐三維打印的設(shè)備,、系統(tǒng)和方法CN108436082A”。2014年6月20日優(yōu)先權(quán)•2015年6月19日提交•2018年8月24日發(fā)布,。本發(fā)明提供三維(3D)物體,、3D打印過程以及用于3D物體的制造的方法、設(shè)備和系統(tǒng),。本發(fā)明的方法,、設(shè)備和系統(tǒng)可減少或消除對(duì)輔助支承件的需求。本發(fā)明提供利用本文中所描述的打印過程,、方法,、設(shè)備和系統(tǒng)打印的三維(3D)物體。

△無支撐金屬3D打印專利結(jié)構(gòu)之一

其中,，最核心的是專利3. “無支撐三維打印的設(shè)備,、系統(tǒng)和方法CN108436082A”，申請(qǐng)書長達(dá)129頁。特此分享給讀者研究了解,，歡迎下載,。

△Velo3D Sapphire 金屬3D打印機(jī)構(gòu)建室，是圓柱形的
編譯自：3dprintingmedia