金属打印批量化竞争：SLM无支撑智能系统PK HP与Desktop Metal
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上周我们在EOS对大水平面无支撑工艺的探讨中提到，SLM能否像SLS那样不需要任何支撑，实现在松散粉床上的直接打印呢？在目前通行的设备状态下几乎难以实现。但随着技术的发展，尤其是机器视觉和深度学习的进步，打印机将会向着智能化方向升级，以此为基础完全可以实现SLM的无支撑打印。
笔者认为这可能代表了先进金属粉末床打印技术的走向之一，一旦实现，SLM就可以无需在基板上成型，也可以像SLS那样多层罗列。如此便解决了金属打印批量化制造的难题，同时将对以Desktop Metal和HP为代表的金属粘结剂喷射技术产生新的挑战。
SLM多层无支撑打印髋臼杯
实际上，这一智能化的金属打印系统已经成功商业化，并受到航空航天终端用户的高度重视。本期，3D打印技术参考对这种无支撑智能化的金属SLM技术进行分析。
▌无支撑SLM工艺需要克服哪些固有难题？
讨论该问题，还是要回到传统打印工艺以及支撑的作用上来。当前，金属SLM设备商会为每种材料开发一款工艺包，这里面确定了各个参数的具体数值，除非参数开源可调，否则无论如何不可改变。进口设备往往会锁定工艺包，材料也会绑定，这对保证设备持久安全稳定运行具有重要作用。国内设备基本都是开源，参数随便调，材料品牌也不限定，这在一定程度上满足了国内用户的研发或经济需求，但不可避免的也造成设备的稳定问题。不过，参数开源是用户深刻了解金属打印过程的最佳捷径。
这里的重点在于材料工艺的唯一不变性，即打印任何零件、零件的任何位置、任何一层，均采用同样的参数。即，无论在打印过程中零件本身的状态是否是过热，打印机总是输入恒定的能量，但如果打印这一层不需要那么高的能量呢？这就造成多余能量来不及散失产生局部过热，造成应力集中；同时还会因为能量输入过多，造成周围粉末半熔化而粘附在零件表面。对于前者，便是支撑发挥作用的地方；对于后者就要考虑多大的倾斜角度不需要添加支撑（笔者在QQ群上传了materialise对支撑、应力问题的50分钟探讨视频）。
倘若在打印过程中，时刻按照零件当前的温度状态输入“刚刚够”的能量，使其仅用于当前层截面的熔化呢（理想假设），那么就不存在热量过多产生应力的问题，也不存在周围粉末吸收多余能量出现粘附的现象。在这种理想的状态下，就不需要支撑去导热，也不需要它拉住工件。这种工艺便是智能化的判断和能量输入方法。
▌智能工艺控制的可能要点有哪些？
最为理想的状态是一种基于机器学习的控制方法，系统根据监控数据自动计算当前需要多少能量从而匹配参数，但目前来说难以做到。不同参数的组合确实能够计算出一个确定的能量值，但激光的输出和熔化过程实则非常复杂，确定的能量值也有数之不尽的参数组合，目前的发展阶段尚难以做到无需人的干预实现工艺匹配的完全智能化。但它一定是AI和SLM相结合的一个重要的发展方向，它需要积累海量的数据用以学习和训练。
当前的控制方法实则是半智能控制，但它仍旧比之前恒定的参数工艺进步很多。半智能控制，要求对材料开发多种确定的工艺参数组合，机器通过在线监控判断当前打印层的热量状态，从参数库中自动抽取该状态下匹配的参数组合，即系统内置了所有可能的打印状态及其对应情况下的适用工艺组合。
其次是适时状态监控。采用包括声学、光谱学和温度监测等方法来了解激光熔融过程中每一层发生了什么，通过提取特征，自动进行分组并在不同层次的分析中进行比较，直到完成创建图像所需要的所有信息，以此作为下一层决策的条件，自动从参数库中安排下一层参数，因此便形成了智能化的闭环控制。
人工智能对层进行分析
监控过程的准确性和自动匹配工艺的能力以及快速的反应能力，是非常关键的因素。
▌无支撑、智能化工艺的优势有哪些？
● 无需花费大量时间进行支撑设计
● 无需花费大量时间去支撑和后处理
但有一点仍旧需要注意，支撑还有一项作用是承载零件，因此对于倾斜角度太小的零件，仍旧需要支撑帮助。这从另一个角度突出EOS对大水平面无支撑工艺探索的意义也很重要。
▌PK DM与HP: Velo3D智能化金属3D打印机市场需求强劲
以上功能的实现需要极大量的数据支撑机器训练，真正做到非常的困难。然而家美国金属打印机制造商Velo3D推出的系统却具有类似的功能，其智能化的金属SLM系统打破了激光粉末床熔化领域“45度规则”，可以在不需要支撑的情况下打印角度低至10度的零件特征，还可以在不需要支撑的情况下打印直径40 mm的管道。
相对于同样不需要支撑的金属粘结剂喷射3D打印来说，Velo3D也不需要支撑，但后者更加专注于高性能最终零部件制造，这对号称金属3D打印批量制造的Desktop Metal与HP来说，无疑是一场巨大的挑战（可关注延伸阅读）。
Velo3D对每一种材料集成了20多种工艺组合（这和我们上面提到的单材料多工艺的想法一致），采用独家开发的预处理软件Flow™准确模拟整个打印过程，分析和纠正潜在的变形。
软件功能强大，含预变形能力
某零件打印前仿真：红色区域表示打印过程中的变形；右侧表示Flow软件通过预打印校正消除这种变形，这是一种保证打印精度的重要方式
关于Velo3D智能打印工艺的实现，笔者认为与上文的分析会非常贴近，即在线监控条件下的工艺智能匹配，当然这只是笔者一家之言，欢迎批评指正。除以上功能之外，Velo3D为保证打印质量还进行了其他改进，如自动化的光斑校准、XY轴对准自动调整、改进的气流控制等等。该公司因此受到了了航空航天领域的广泛重视，并因此获得了航空制造公司的大订单。（关于Velo3D智能化工艺控制问题有另一个50分钟视频文件，已上传qq群）
END
智能化的打印系统能够有效解决或减轻之前常规SLM存在的问题，如封闭结构的支撑去除、表面质量差、应力集中等。与此同时也带来了应用的突破，如大型管道结构、随形冷却模具、大曲面航空发动机叶片的无差别制造，这种工艺保证了零件的高质量，避免了过去一直存在的表面质量、积粉甚至性能问题。此外，它更大的意义在于因后处理步骤的简化带来的高性能金属3D打印批量化制造，这无疑将降低成本，增加直接制造的可行性，进一步推进金属打印的落地应用。
最后，笔者仍然认为人工智能是一个非常值得深入认识的学科，如在正文中提到的，它与金属打印的结合将会实现打印机真正的智能化，作为金属SLM的传统领导者们，应当引起重视。
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原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属打印批量化竞争：SLM无支撑智能系统PK HP与Desktop Metal