不加支撑、多层堆叠，让金属 SLM 3D打印更灵活，并实现大规模制造

3D打印技术参考导读：无须构建基板进行金属粉末床3D打印，似乎只能想到ExOne、HP以及Desktop Metal推出的粘结剂喷射金属3D打印以及电子束粉末床熔融技术。传统基于激光的SLM技术由于热应力的存在，不得不将零件牢牢的固定在基板上才能够顺利成型。然而本期介绍的技术似乎又是老生常谈，但仍值得关注，它是Velo3D的无支撑金属3D打印。

在正文开始之前，我们先看一段视频，来了解在激光粉末床熔融工艺中实现无支撑、无构建基板实现多层零件打印：

视频中共打印了80个自由浮动的涡轮叶片，分两层打印，两层之间不相连接，这与传统的SLM技术大为不同，通常难以做到。

很明显，视频描述了Velo3D可以实现高压涡轮叶片多层3D打印，以及它所带来的优势。传统基于激光的L-PBF技术，无疑只能每次成型一层零件。即便EOS的工程师曾经探索过借助工艺和设计的手段实现了多层打印，但这种方式却还没有到普及的程度。

传统激光粉末床熔融技术对支撑的依赖，以及所造成的后处理的不便，加上制造效率的不足，成为被新兴的粘结剂喷射金属3D打印技术“调侃”和“攻击”的对象。这些不足，也因此成为后者在3D打印应用领域攻城略地的主要优势。然而，就纯粹技术而言，粘结剂喷射面对Velo3D的无支撑激光粉末床熔融，却也难言领先。

同样可以实现多层打印，激光制造的零件性能接近锻造，而粘结剂喷射的对比对象是铸造工艺；在制造效率上，后者还面临漫长的脱脂与烧结过程。两相对比，双方的应用领域将大有区别。

当前，Velo3D的技术正在被一系列行业领导者迅速采用，包括SpaceX、Aerojet Rocketdyne、Launcher等。它所开发的无支撑金属3D打印技术已成为开发下一代火箭发动机和其他空间系统的关键和可依赖的制造技术。

实际上不只是国外的航空航天制造商，Velo3D的技术对国内同领域的研究及生产机构同样具有足够的吸引力，也有国内航天机构向3D打印技术参考咨询设备信息。在传统L-PBF/SLM技术已经发展到速度更快、尺寸更大的背景下，对制造复杂性更高、后处理更为简单的无支撑金属3D打印技术显然充满艳羡。然而到目前为止，该技术的持有者全球只此一家，即便能够卖到国内，在高端领域也不见得能够使用。

无支撑金属打印相比传统SLM技术的经济优势

实现无支撑3D打印的三点要素

真正的设计“自由”应该提供不受约束的角度和内部尺寸，而不需要对表面和支撑去除进行大量的后处理。Velo3D并未清晰指出无支撑金属3D打印所能实现的条件，但3D打印技术参考通过对其公开视频的反复研判得出几条重要因素：铺粉过程、变化的能量输入以及实时反馈机制。

Velo3D采用了一种非接触的上送粉方式，它被称为实现无支撑打印的关键技术之一：送粉机构分为三个部分，在打印完一层后，送粉机构的前置“漏斗”沿打印区域洒下粉末，中间的刮片将粉末刮平，后置吸粉器可将多余粉末吸走，保证粉层厚度。在整个过程中，Velo3D避免了传统刮刀对打印件造成的摩擦及其它作用力，并能够在一定范围内容忍凸起。

Velo3D的非接触式铺送粉示意图

另外，Velo3D明确指出在打印小角度特征的过程中，会减少热输入以防止变形，但不仅仅是降低激光功率；同时，一个零件不同的区域可能使用了不同的工艺参数，包括光斑大小，这种变化可能牺牲掉了表面质量但保证了效率，也有可能是保证了打印成功但牺牲掉了部分性能：总的来说，它提供了复杂的、经验证的激光参数，这些参数根据实际零件的几何形状而变化。

参数根据实际零件的几何形状而变化

实时监控与反馈也是保证打印顺利进行的重要手段，其所开发的打印机内置了920多个传统器，经过训练的监控机制能够识别出缺陷，当超过阈值时可通知工艺人员对相应区域进行工艺调整。

对不同的缺陷设置了不同的阈值并实时监控和反馈

被航空航天制造商青睐

作为商业航天工业中利用3D打印制造航天器部件的先驱之一，SpaceX率先推出了当今航天器的许多颠覆性设计，并为火箭发动机融入了相当多的3D打印部件，如推进剂阀门、涡轮泵和许多用于初始发动机开发测试的喷射器关键部件，此举不仅可以降低成本并生产最轻的部件，还提高了设计和评估的速度。该公司于2014年开始在航天器产品中使用3D打印技术，甚至表示有兴趣在2021年收购其增材制造供应商之一的Velo3D。到目前为止，SpaceX已经向Velo3D订购了22台机器，成为该公司迄今为止最大的客户。

SpaceX猛禽发动机装配有velo3D打印的零件

美国私人航空航天公司后起之秀Launcher也在扩大和Velo3D的合作，其于今年购买了第二台Sapphire 3D打印系统，用于生产优化设计的液氧涡轮泵组件以及轨道飞行器压力容器。由于液氧涡轮泵入口外壳具有悬垂的内部几何形状，Velo3D的无支撑金属3D打印技术在零件复杂性、制造效率和材料浪费方面相比其他方式更有优势。使用类似的方法，Launcher工程师还能够重新开发泵叶轮。通常，这些部件的悬垂较低，很难结合支撑件，但无支撑金属3D打印可以将其设计为平面，使其质量分布均匀，并防止在旋转过程中引起发动机故障。

Launcher采用Velo3D Sapphire打印机制造的轨道飞行器压力容器

SpaceX与Launcher看中的都是对设计约束的进一步解放、制造质量的保障机制以及3D打印技术对传统供应链依赖的减少，尽管其价格（高达200万美元）相比传统装备更为昂贵，但它确实让制造变得更为简单。

本文开始提到零件了堆叠打印，实际上并非所有的零件都适合，Velo3D的打印机也并非没有构建基板。至于与粘结剂喷射金属3D打印技术的对比，实则也并没有可比性，两者面向的应用领域有天然的不同，纯技术的对比也丧失了意义。

END

当用户购买一台3D打印机时，购买的不仅仅是装备本身，还有制造商所积累的所有经验知识，后者决定了能够为购买者带来多少效益。Velo3D确实提供了业内最先进的激光粉末床熔融设备，但这并不意味着传统金属3D打印机再无用武之地，相反，后者将在很长的一段时间内继续发挥重要作用， 并在各个领域获得更为广泛的应用。

最后，3D打印技术参考认为，技术壁垒的存在是客观现实，但创新发展将永无止境。

注：本文内容来自3D打印技术参考。