VELO3D無支撐金屬3D打印技術(shù)，讓Boom超音速飛機實現(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。如果你有一些獨到的技術(shù)，可以解決某些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的核心痛點（例如在保證強度性能的前提下，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)如何助力實現(xiàn)超復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)。

2019年，Boom Supersonic團(tuán)隊與VELO3D建立了一些試驗部件的合作關(guān)系，之后使用下一代激光粉末床融合(LPBF)技術(shù)，為XB-1飛機測試生產(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)動機壓縮機釋放的空氣輸送到飛機的外模線(OML)；
●環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)的出口百葉，對駕駛艙和系統(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管道和兩個分流法蘭部件，NACA管道經(jīng)常用于高速飛機，以捕獲外部空氣并將其導(dǎo)入飛機以冷卻發(fā)動機艙。

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)計方法。Boom工程師Byron Young說："快速移動的空氣接觸到表面，會極大地影響效率和性能的。因此，在設(shè)計這些零件時，你通常從空氣動力學(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超音速演示機在丹佛機庫亮相，使超音速空中旅行的夢想更加接近現(xiàn)實。XB-1展示了比協(xié)和式飛機更先進(jìn)的設(shè)計和制造。

其實，Boom Supersonic設(shè)計和工程團(tuán)隊很早就知道3D打印部件已經(jīng)在許多現(xiàn)有的飛機上安裝使用，那時候就已經(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)計靈活性。以前，你可能會通過制造多個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間，往往也需要更多的制造時間。"

"工程師們總是試圖在工作中節(jié)省時間，飛機設(shè)計中的大部分時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，我們可以減少零件和接頭的數(shù)量，這也減少了時間和工作量。而且零件整合可以削減大量的重量，這也是飛機設(shè)計的重中之重。"
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)。

幾乎在每一個案例中，VELO3D的無支撐金屬3D打印機都能夠很好打印Boom的CAD設(shè)計零件，而沒有太多缺陷。VELO3D的應(yīng)用工程師Gene Miller說："我們確實使用了系統(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設(shè)計。"

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設(shè)計了所有這些零件， 他們?yōu)橐龑?dǎo)流動而創(chuàng)建的獨特的幾何形狀類型，重點是減輕重量，不能用金屬板或鑄造或任何其他方式來完成。要想同時獲得復(fù)雜設(shè)計和減輕重量，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）是另一個優(yōu)點。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)計具有高長寬比（沿著長跨度的壁非常薄）。Miller說："因為我們的技術(shù)提供了在這種設(shè)計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)部的強度，而且我們可以將這些風(fēng)道葉片生長得非常高，而不會受到鋪粉機的干擾。"

航空航天工程師的痛點

所有項目成員都認(rèn)為，這個項目的最大挑戰(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度損失較少，而且它的強度重量比更高。"

但輕質(zhì)、極耐高溫的鈦，在整個航空航天工業(yè)中廣泛用于關(guān)鍵部件也有一個缺點，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，就會變得很脆，容易開裂。

Gene承認(rèn)："Boom設(shè)計了一系列全新的金屬零件，真正推動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？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)隊開發(fā)了一種獨特的增材制造工藝，優(yōu)化了打印參數(shù)和序列，以生產(chǎn)堅固的鈦部件。Gene解釋說："這減少了基板中的內(nèi)應(yīng)力，因為材料是在Z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)行驗證。只需點擊一下，就能實現(xiàn)制造前的機器校準(zhǔn)，自動檢查關(guān)鍵變量，如激光對準(zhǔn)、光束穩(wěn)定性、粉末床質(zhì)量等。過程中計量監(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)建報告都會被編制并保存起來，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，因為SupportFree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做一點手工工作。我們也會用銑刀鉸出試點孔（在較大的零件上），以確保尺寸正確。這取決于零件，但每個零件大概只需要半個小時的加工時間，這并不是什么大問題。"

剛出爐的零件精加工用輪廓儀測試，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幾分鐘就能實現(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度，但如果需要更光滑的表面，那很容易實現(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)隊發(fā)現(xiàn)，3D打印比他們設(shè)想的要復(fù)雜，但也能實現(xiàn)他們最初的設(shè)計意圖。而DMP公司也大大擴展了他們的3D打印專業(yè)技術(shù)，繼續(xù)購買了第三臺藍(lán)寶石機器。Aaron說："由于我們在增材制造方面的能力，我們獲得了很多新業(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)計來平衡變形，并配合前饋閉環(huán)熔池控制和原位計量數(shù)據(jù)來實現(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，零件會產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。支撐有兩個作用：一是作為固定件，固定零件，防止熱變形而移動；二是熱傳導(dǎo)。臨時支撐結(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)計上。

VELO3D與現(xiàn)有的粉末床熔接解決方案不同，具有獨特的能力，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。



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，以確保粉末絕對平整。同樣，這些都不與實際的床身或部件接觸，實現(xiàn)高自由度，從而實現(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、歐洲申請專利，同時也有其中一些專利早早在中國申請了相關(guān)專利，由此可見他們對專利保護(hù)的重視。南極熊已經(jīng)收集到這35項專利申請書，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3D物體的形成(例如在3D打印期間實時)的控制器；以及促進(jìn)其的非暫時性計算機可讀介質(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�位控制�？刂瓶蔀樵�3D打印過程期間的實時控制。例如，控制可在現(xiàn)象脈沖期間。本公開提供了用于評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打印機構(gòu)建室，是圓柱形的
編譯自：3dprintingmedia

厲害了