編者按：本文來自微信公眾號(hào)“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(jī)體和工程領(lǐng)域的上限，一旦第一次突破，而后就會(huì)有更多的突破…

一家名為Velo3D的公司，以“無支撐打印”這項(xiàng)王冠最近又獲得了4000萬美金的投資，累計(jì)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(shí)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(jī)中，外形相比更大一些，會(huì)不會(huì)內(nèi)有乾坤呢？

圖1. Velo3D Sapphire設(shè)備（來源：Velo3D）

我們先看一下這款售價(jià)約為200萬美金設(shè)備的基本參數(shù)：

一. 亮點(diǎn)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(xì)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(gè)直徑1mm，高度100mm的圓柱體，那么它的高徑比就是100:1。因細(xì)桿徑在成形中受到較大熱應(yīng)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）。

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(shí)用價(jià)值的是無支撐打印。因?yàn)橹蔚脑O(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)成功的打印。

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(duì)于開放性差的一些設(shè)計(jì)，支撐去除幾乎是不可能的。

圖4. 支撐結(jié)構(gòu)對(duì)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(huì)有兩個(gè)作用：
1. 為“空中樓閣”搭上桁架，以實(shí)現(xiàn)小傾角區(qū)域的成功打印。
2. 限制打印過程中應(yīng)力可能導(dǎo)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(duì)于粉床成形，成形過程是完全在粉床的支撐下，所以對(duì)于低應(yīng)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(duì)于熔化過程熱量很大的金屬材料，相對(duì)疏松的粉床無法對(duì)成形材料產(chǎn)生足夠的熱傳導(dǎo)和固定，因而應(yīng)力常造成翹曲變形。輕微的翹曲變形會(huì)影響鋪粉的質(zhì)量，并造成成形件中的缺陷，嚴(yán)重的翹曲會(huì)導(dǎo)致成形失敗。
在這樣的考慮下，支撐的兩個(gè)作用合二為一：支撐的實(shí)際作用是為了避免應(yīng)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(dá)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(xì)。在光桿、刷子等模式的鋪粉工藝中，鋪粉桿/刷移動(dòng)時(shí)會(huì)向前方和下方施加力，該力將粉末向前推動(dòng)并一定程度上壓實(shí)。粉床表層的成形件，會(huì)受到一個(gè)彎折的力矩；越細(xì)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(xì)桿徑?jīng)]有斷裂，在鋪粉完成后可能該細(xì)桿頂端并未完全回到其在XY平臺(tái)上所應(yīng)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；從而導(dǎo)致下一層與上一層的結(jié)合出現(xiàn)錯(cuò)位，這樣打印出的零件側(cè)面粗糙，嚴(yán)重者甚至?xí)]有足夠的銜接而斷掉。
因此，對(duì)于細(xì)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(jī)構(gòu)將粉末在激光掃描完成后的粉床上灑下，該鋪粉機(jī)構(gòu)與粉床表層具有較大的安全距離，不會(huì)接觸到細(xì)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(jī)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(dòng)式的，類似于吸塵器；但也有可能是靜電式的，其專利對(duì)此有較細(xì)的描述。

圖5. Velo3D無接觸鋪粉過程（見引用1US20160207109）

在消除鋪粉過程對(duì)于成形層的影響，實(shí)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(xì)結(jié)構(gòu)的打印上也具有很好地表現(xiàn)。因而對(duì)于精細(xì)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(duì)于已成形部分的壓力和剪切力上再多下功夫。
當(dāng)然，Velo3D這種無接觸的方式最大程度的降低了對(duì)細(xì)桿徑的干擾，鋪粉過程對(duì)于纖纖細(xì)桿，猶如清風(fēng)拂面。
古詩亦云：

流粉自天降，銀珠當(dāng)薄裳；
清風(fēng)似拂面，恬然兮無恙。

2. 動(dòng)態(tài)的掃描控制能力。對(duì)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(dāng)然如果低傾角貫穿這個(gè)打印零件，那么整個(gè)零件的打印參數(shù)都需要一定程度上動(dòng)態(tài)控制。這需要高效的算法對(duì)于成形過程計(jì)算進(jìn)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(shí)時(shí)反饋，其重要性還有待考證。實(shí)時(shí)控制需要實(shí)時(shí)紅外觀測(cè)、歷史數(shù)據(jù)迭代以及最困難的，強(qiáng)大的計(jì)算能力?？紤]到鋪粉的時(shí)間為1分鐘左右，那么Velo3D的模擬所能達(dá)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(shí)驗(yàn)室）展示的模擬能力，一條線段的激光金屬掃描，花費(fèi)了1百萬CPU小時(shí)。如果Velo3D確實(shí)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)模擬，那么這種實(shí)時(shí)的模擬強(qiáng)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(wù)器了。

3. 可能的預(yù)熱控制等。之所以用可能，是因?yàn)閂elo3D在其專利中花了大量的篇幅進(jìn)行溫度場(chǎng)預(yù)熱方案的描述及保護(hù)；但是在設(shè)備性能的描述，以及靖哥了解到當(dāng)前Sapphire打印機(jī)用戶的反饋，提到并沒有進(jìn)行預(yù)熱的過程。從實(shí)際的控制效果來看，粉末預(yù)熱、預(yù)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(yīng)力場(chǎng)。在這個(gè)方面，靖哥將進(jìn)一步的跟進(jìn)。

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(gè)共同點(diǎn)，上層層片每一枝的打印都是從下層連續(xù)過渡，即一個(gè)枝上的打印應(yīng)該是從下面可以和底板所相連的某一個(gè)點(diǎn)（面）出發(fā)；而不是直接浮在粉床層上來打印的。

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(jì)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(diǎn)或者面所延伸出來，而這種模型Velo3D的無支撐并不適合。

圖7. Velo3D無支撐不適用的零件模型（圖片：Stratasys）

當(dāng)然Velo3D也對(duì)其適用性做了一定的說明：

圖8. Velo3D無支撐打印對(duì)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(jià)格和打印的時(shí)間共同構(gòu)成。Velo設(shè)備當(dāng)前的售價(jià)大約為200萬美金，遠(yuǎn)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(shí)間長。Velo3D在打印過程中獨(dú)特的鋪粉工藝，當(dāng)前每層粉末的鋪粉時(shí)間約1分鐘。如果打印一個(gè)100mm高的產(chǎn)品，那么按照50um的層厚，需要2000層完成。僅鋪粉時(shí)間就需要大約30小時(shí)。因而這些共同的因素決定Velo3D所打印的零件成本相對(duì)更高。

低傾角機(jī)械強(qiáng)度等未知性。Velo3D展示其成形件測(cè)試的強(qiáng)度超過了鑄造件的強(qiáng)度，但是并未明確指出所對(duì)應(yīng)的傾角，靖哥推論為大傾角的樣件測(cè)試。Velo3D在實(shí)現(xiàn)小傾角無支持打印時(shí)，最底面的粉末熔化可能未完全，以避免高溫度場(chǎng)造成的翹曲。就像粉末層預(yù)熱使粉床預(yù)燒結(jié)一樣，而后在其上第二層、第三層逐漸增加功率達(dá)到所需強(qiáng)度。如果工藝參數(shù)處理得當(dāng)，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(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行HIP等處理，進(jìn)一步消除其影響。但是其孔隙率和粗糙度依然會(huì)對(duì)疲勞性能等產(chǎn)生負(fù)面影響。

四. 應(yīng)用領(lǐng)域
鑒于其低成形速度、高設(shè)備成本；其經(jīng)濟(jì)適用領(lǐng)域的要求是：
零件復(fù)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(jì)這款設(shè)備大概率會(huì)對(duì)中國實(shí)施禁運(yùn)。
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(xì)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制工藝上獲得了極大的推進(jìn)，能夠在同等硬件的條件下，對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的控制。

【彩蛋來了】
Aspect Ratio比例達(dá)到一定程度，再談大的Aspect ratio本身價(jià)值也是比較有限的，因?yàn)槌^一個(gè)值，理論上就可以達(dá)到無限大了。感興趣的朋友可以就這一個(gè)方向做研究，應(yīng)該是可以發(fā)幾篇很不錯(cuò)的學(xué)術(shù)文章的，可以分為模擬、實(shí)驗(yàn)以及二者的結(jié)合的。
前文講到，細(xì)桿徑在打印的過程會(huì)受到熱應(yīng)力和鋪粉過程的干擾。熱應(yīng)力在很多細(xì)桿中可以通過對(duì)稱設(shè)計(jì)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(duì)于細(xì)桿的壓力。
如下圖所示：

輥?zhàn)愉伔蹖?duì)細(xì)桿作用分析圖

當(dāng)細(xì)桿直徑

時(shí)，鋪粉過程的剪切力對(duì)于桿的彎折效果可以忽略，桿可以無限延伸；
當(dāng)細(xì)桿直徑

時(shí)，鋪粉過程的剪切力對(duì)于桿的彎折效果不可忽略，且鋪粉后細(xì)桿不能完全恢復(fù)到在XOY平面所對(duì)應(yīng)的值，并殘留偏移量為

,L為該桿與底板距離。當(dāng)

時(shí)，上下兩層沒有重合區(qū)域，打印失敗。
因?yàn)榉勰訉?duì)于桿徑偏折的支撐作用，當(dāng)

時(shí)，桿徑的增加不會(huì)帶來更大的偏折量。
因而當(dāng)

,則該細(xì)桿既可以Lo為Z軸方向的周期，無限延長下去。當(dāng)然打印出來的細(xì)桿的質(zhì)量就取決于細(xì)桿的偏折量。也許雙向鋪粉的設(shè)備會(huì)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(gè)亮點(diǎn)。畢竟一旦突破了一個(gè)數(shù)值閾值，要達(dá)到更高的數(shù)值那就是粉箱的深度問題了。

【靖哥評(píng)論】
基于歷史的原因，我們更相信機(jī)器這類看得見、摸得著的實(shí)體的價(jià)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?dòng)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(xì)節(jié)決定成敗之時(shí)，望各位業(yè)內(nèi)同仁們可以考慮在工藝中、軟體中進(jìn)一步的深入。
軟硬都要抓，兩手都要硬。

感謝馬學(xué)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

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場(chǎng)。如若轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

編者按：本文來自微信公眾號(hào)“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(jī)體和工程領(lǐng)域的上限，一旦第一次突破，而后就會(huì)有更多的突破…

一家名為Velo3D的公司，以“無支撐打印”這項(xiàng)王冠最近又獲得了4000萬美金的投資，累計(jì)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(shí)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(jī)中，外形相比更大一些，會(huì)不會(huì)內(nèi)有乾坤呢？

圖1. Velo3D Sapphire設(shè)備（來源：Velo3D）

我們先看一下這款售價(jià)約為200萬美金設(shè)備的基本參數(shù)：

一. 亮點(diǎn)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(xì)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(gè)直徑1mm，高度100mm的圓柱體，那么它的高徑比就是100:1。因細(xì)桿徑在成形中受到較大熱應(yīng)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）。

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(shí)用價(jià)值的是無支撐打印。因?yàn)橹蔚脑O(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)成功的打印。

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(duì)于開放性差的一些設(shè)計(jì)，支撐去除幾乎是不可能的。

圖4. 支撐結(jié)構(gòu)對(duì)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(huì)有兩個(gè)作用：
1. 為“空中樓閣”搭上桁架，以實(shí)現(xiàn)小傾角區(qū)域的成功打印。
2. 限制打印過程中應(yīng)力可能導(dǎo)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(duì)于粉床成形，成形過程是完全在粉床的支撐下，所以對(duì)于低應(yīng)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(duì)于熔化過程熱量很大的金屬材料，相對(duì)疏松的粉床無法對(duì)成形材料產(chǎn)生足夠的熱傳導(dǎo)和固定，因而應(yīng)力常造成翹曲變形。輕微的翹曲變形會(huì)影響鋪粉的質(zhì)量，并造成成形件中的缺陷，嚴(yán)重的翹曲會(huì)導(dǎo)致成形失敗。
在這樣的考慮下，支撐的兩個(gè)作用合二為一：支撐的實(shí)際作用是為了避免應(yīng)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(dá)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(xì)。在光桿、刷子等模式的鋪粉工藝中，鋪粉桿/刷移動(dòng)時(shí)會(huì)向前方和下方施加力，該力將粉末向前推動(dòng)并一定程度上壓實(shí)。粉床表層的成形件，會(huì)受到一個(gè)彎折的力矩；越細(xì)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(xì)桿徑?jīng)]有斷裂，在鋪粉完成后可能該細(xì)桿頂端并未完全回到其在XY平臺(tái)上所應(yīng)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；從而導(dǎo)致下一層與上一層的結(jié)合出現(xiàn)錯(cuò)位，這樣打印出的零件側(cè)面粗糙，嚴(yán)重者甚至?xí)]有足夠的銜接而斷掉。
因此，對(duì)于細(xì)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(jī)構(gòu)將粉末在激光掃描完成后的粉床上灑下，該鋪粉機(jī)構(gòu)與粉床表層具有較大的安全距離，不會(huì)接觸到細(xì)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(jī)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(dòng)式的，類似于吸塵器；但也有可能是靜電式的，其專利對(duì)此有較細(xì)的描述。

圖5. Velo3D無接觸鋪粉過程（見引用1US20160207109）

在消除鋪粉過程對(duì)于成形層的影響，實(shí)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(xì)結(jié)構(gòu)的打印上也具有很好地表現(xiàn)。因而對(duì)于精細(xì)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(duì)于已成形部分的壓力和剪切力上再多下功夫。
當(dāng)然，Velo3D這種無接觸的方式最大程度的降低了對(duì)細(xì)桿徑的干擾，鋪粉過程對(duì)于纖纖細(xì)桿，猶如清風(fēng)拂面。
古詩亦云：

流粉自天降，銀珠當(dāng)薄裳；
清風(fēng)似拂面，恬然兮無恙。

2. 動(dòng)態(tài)的掃描控制能力。對(duì)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(dāng)然如果低傾角貫穿這個(gè)打印零件，那么整個(gè)零件的打印參數(shù)都需要一定程度上動(dòng)態(tài)控制。這需要高效的算法對(duì)于成形過程計(jì)算進(jìn)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(shí)時(shí)反饋，其重要性還有待考證。實(shí)時(shí)控制需要實(shí)時(shí)紅外觀測(cè)、歷史數(shù)據(jù)迭代以及最困難的，強(qiáng)大的計(jì)算能力?？紤]到鋪粉的時(shí)間為1分鐘左右，那么Velo3D的模擬所能達(dá)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(shí)驗(yàn)室）展示的模擬能力，一條線段的激光金屬掃描，花費(fèi)了1百萬CPU小時(shí)。如果Velo3D確實(shí)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)模擬，那么這種實(shí)時(shí)的模擬強(qiáng)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(wù)器了。

3. 可能的預(yù)熱控制等。之所以用可能，是因?yàn)閂elo3D在其專利中花了大量的篇幅進(jìn)行溫度場(chǎng)預(yù)熱方案的描述及保護(hù)；但是在設(shè)備性能的描述，以及靖哥了解到當(dāng)前Sapphire打印機(jī)用戶的反饋，提到并沒有進(jìn)行預(yù)熱的過程。從實(shí)際的控制效果來看，粉末預(yù)熱、預(yù)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(yīng)力場(chǎng)。在這個(gè)方面，靖哥將進(jìn)一步的跟進(jìn)。

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(gè)共同點(diǎn)，上層層片每一枝的打印都是從下層連續(xù)過渡，即一個(gè)枝上的打印應(yīng)該是從下面可以和底板所相連的某一個(gè)點(diǎn)（面）出發(fā)；而不是直接浮在粉床層上來打印的。

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(jì)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(diǎn)或者面所延伸出來，而這種模型Velo3D的無支撐并不適合。

圖7. Velo3D無支撐不適用的零件模型（圖片：Stratasys）

當(dāng)然Velo3D也對(duì)其適用性做了一定的說明：

圖8. Velo3D無支撐打印對(duì)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(jià)格和打印的時(shí)間共同構(gòu)成。Velo設(shè)備當(dāng)前的售價(jià)大約為200萬美金，遠(yuǎn)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(shí)間長。Velo3D在打印過程中獨(dú)特的鋪粉工藝，當(dāng)前每層粉末的鋪粉時(shí)間約1分鐘。如果打印一個(gè)100mm高的產(chǎn)品，那么按照50um的層厚，需要2000層完成。僅鋪粉時(shí)間就需要大約30小時(shí)。因而這些共同的因素決定Velo3D所打印的零件成本相對(duì)更高。

低傾角機(jī)械強(qiáng)度等未知性。Velo3D展示其成形件測(cè)試的強(qiáng)度超過了鑄造件的強(qiáng)度，但是并未明確指出所對(duì)應(yīng)的傾角，靖哥推論為大傾角的樣件測(cè)試。Velo3D在實(shí)現(xiàn)小傾角無支持打印時(shí)，最底面的粉末熔化可能未完全，以避免高溫度場(chǎng)造成的翹曲。就像粉末層預(yù)熱使粉床預(yù)燒結(jié)一樣，而后在其上第二層、第三層逐漸增加功率達(dá)到所需強(qiáng)度。如果工藝參數(shù)處理得當(dāng)，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(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行HIP等處理，進(jìn)一步消除其影響。但是其孔隙率和粗糙度依然會(huì)對(duì)疲勞性能等產(chǎn)生負(fù)面影響。

四. 應(yīng)用領(lǐng)域
鑒于其低成形速度、高設(shè)備成本；其經(jīng)濟(jì)適用領(lǐng)域的要求是：
零件復(fù)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(jì)這款設(shè)備大概率會(huì)對(duì)中國實(shí)施禁運(yùn)。
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(xì)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制工藝上獲得了極大的推進(jìn)，能夠在同等硬件的條件下，對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的控制。

【彩蛋來了】
Aspect Ratio比例達(dá)到一定程度，再談大的Aspect ratio本身價(jià)值也是比較有限的，因?yàn)槌^一個(gè)值，理論上就可以達(dá)到無限大了。感興趣的朋友可以就這一個(gè)方向做研究，應(yīng)該是可以發(fā)幾篇很不錯(cuò)的學(xué)術(shù)文章的，可以分為模擬、實(shí)驗(yàn)以及二者的結(jié)合的。
前文講到，細(xì)桿徑在打印的過程會(huì)受到熱應(yīng)力和鋪粉過程的干擾。熱應(yīng)力在很多細(xì)桿中可以通過對(duì)稱設(shè)計(jì)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(duì)于細(xì)桿的壓力。
如下圖所示：

輥?zhàn)愉伔蹖?duì)細(xì)桿作用分析圖

當(dāng)細(xì)桿直徑

時(shí)，鋪粉過程的剪切力對(duì)于桿的彎折效果可以忽略，桿可以無限延伸；
當(dāng)細(xì)桿直徑

時(shí)，鋪粉過程的剪切力對(duì)于桿的彎折效果不可忽略，且鋪粉后細(xì)桿不能完全恢復(fù)到在XOY平面所對(duì)應(yīng)的值，并殘留偏移量為

,L為該桿與底板距離。當(dāng)

時(shí)，上下兩層沒有重合區(qū)域，打印失敗。
因?yàn)榉勰訉?duì)于桿徑偏折的支撐作用，當(dāng)

時(shí)，桿徑的增加不會(huì)帶來更大的偏折量。
因而當(dāng)

,則該細(xì)桿既可以Lo為Z軸方向的周期，無限延長下去。當(dāng)然打印出來的細(xì)桿的質(zhì)量就取決于細(xì)桿的偏折量。也許雙向鋪粉的設(shè)備會(huì)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(gè)亮點(diǎn)。畢竟一旦突破了一個(gè)數(shù)值閾值，要達(dá)到更高的數(shù)值那就是粉箱的深度問題了。

【靖哥評(píng)論】
基于歷史的原因，我們更相信機(jī)器這類看得見、摸得著的實(shí)體的價(jià)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?dòng)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(xì)節(jié)決定成敗之時(shí)，望各位業(yè)內(nèi)同仁們可以考慮在工藝中、軟體中進(jìn)一步的深入。
軟硬都要抓，兩手都要硬。

感謝馬學(xué)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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