无支撑金属3D打印超复杂钛合金结构，VELO3D助力Boom飞机实现超音速
南极熊导读：金属3D打印技术的产业化应用，正在加速。最近国内陆续出现几千万甚至近亿元的金属3D打印大订单。如果你有一些独到的技术，可以解决某些产业应用的核心痛点（例如在保证强度性能的前提下，高度薄壁、极度复杂不希望有支撑结构、高长宽比等需求），就可以开拓出全新的市场业务应用，创造需求！
下面，我们将以全球首款商业超音速飞机Boom（已获得数亿美元融资） 的XB-1为例，详细说说无支撑金属3D打印技术如何助力实现超复杂钛合金结构。
2019年，Boom Supersonic团队与VELO3D建立了一些试验部件的合作关系，之后使用下一代激光粉末床融合(LPBF)技术，为XB-1飞机测试生产了一些打印的钛合金部件 。这些部件包括：
●可变旁通阀(VBV)系统的歧管，主要用于将发动机压缩机释放的空气输送到飞机的外模线(OML)；
●环境控制系统(ECS)的出口百叶，对驾驶舱和系统舱进行冷却；百叶将中心进气口的二次放气流引导到OML；
●以及NACA管道和两个分流法兰部件，NACA管道经常用于高速飞机，以捕获外部空气并将其导入飞机以冷却发动机舱。
△超音速飞机上的金属3D打印零件位置
△视频：超音速飞机上的3D打印
所有零件都是在VELO3D蓝宝石系统上打印的。
复杂零件的唯一选择：3D打印
Boom的许多3D打印部件都与引导空气有关，并包含复杂的叶片、管道和百叶。一些通过这些部件的空气超过500华氏度。这些部件的几何复杂性要求采用基于表面的设计方法。Boom工程师Byron Young说："快速移动的空气接触到表面，会极大地影响效率和性能的。因此，在设计这些零件时，你通常从空气动力学轮廓开始，然后修剪、切角和加厚表面，一步步建模。由此产生的零件非常复杂，这意味着它们肯定需要通过3D打印来制造。"
2020年秋天，Boom Supersonic公司的XB-1超音速演示机在丹佛机库亮相，使超音速空中旅行的梦想更加接近现实。XB-1展示了比协和式飞机更先进的设计和制造。使用的是Rolls-Royce劳斯莱斯的航空发动机。
其实，Boom Supersonic设计和工程团队很早就知道3D打印部件已经在许多现有的飞机上安装使用，那时候就已经开始考虑采用增材制造来生产一些最复杂的部件。
Young证实道："选择3D打印技术而不是其他技术的原因有很多，使用3D打印有很大的设计灵活性。以前，你可能会通过制造多个零件并将它们焊接或螺栓连接在一起，或者通过使用复杂的碳纤维工具来达到类似的效果。但这需要大量的工程时间，往往也需要更多的制造时间。"
"工程师们总是试图在工作中节省时间，飞机设计中的大部分时间和精力都用在了接头、零件之间的接口上。通过直接为增材制造设计，我们可以减少零件和接头的数量，这也减少了时间和工作量。而且零件整合可以削减大量的重量，这也是飞机设计的重中之重。"
△超音速飞机比目前普通飞机速度快1倍，旅行时间减少一半
VELO3D是直接金属激光烧结（DMLS）增材制造系统和打印准备软件的开发商，发明了SupportFree Geometries无支撑金属3D打印技术，已经融资近2亿美元。
几乎在每一个案例中，VELO3D的无支撑金属3D打印机都能够很好打印Boom的CAD设计零件，而没有太多缺陷。VELO3D的应用工程师Gene Miller说："我们确实使用了系统的Flow预打印软件，在NACA管道较薄的壁面上添加了一些结构肋条，但有所限制。但在大多数情况下，打印出来的零件非常高度还原了图纸设计。"
Young表示："蓝宝石系统使我们能够打印薄至20thou（0.02英寸，或750μ）的壁，大多数情况下不太需要做表面处理。"
△金属3D打印的空气通道零件
Miller与Boom Supersonic的设计工程师和Duncan Machine Products (DMP)密切合作，Duncan Machine Products是处理打印和后处理的供应链合作伙伴。"Boom专门为他们的新型飞机设计了所有这些零件， 他们为引导流动而创建的独特的几何形状类型，重点是减轻重量，不能用金属板或铸造或任何其他方式来完成。要想同时获得复杂设计和减轻重量，唯一的选择就是用金属增材制造来做。"
VELO3D 的非接触式铺粉系统 所带来的高长宽比（高度与宽度）是另一个优点。为了减轻重量，中心进气口的放气百叶上的叶片是中空打印的，而且零件的设计具有高长宽比（沿着长跨度的壁非常薄）。Miller说："因为我们的技术提供了在这种设计中打印这种非常高的纵横比的能力，所以我们不需要多余的材料来保证结构内部的强度，而且我们可以将这些风道叶片生长得非常高，而不会受到铺粉机的干扰。"
航空航天工程师的痛点
所有项目成员都认为，这个项目的最大挑战之一是与Boom 钛合金3D打印部件。DMP增材制造工程师Aaron Miller说："与铝或碳纤维相比，钛合金在高温下的强度损失较少，而且它的强度重量比更高。"
但轻质、极耐高温的钛，在整个航空航天工业中广泛用于关键部件也有一个缺点，那就是无论如何制造，它都难以加工，容易出现质量缺陷。如果钛的冷却速度过快，就会变得很脆，容易开裂。
Gene承认："Boom设计了一系列全新的金属零件，真正推动了轻量化和薄壁几何形状的发展 ，3D打印这些钛合金零件，我们有很多东西要学习。它将如何移动？哪些地方可以在没有支撑的情况下进行打印，哪些地方需要支撑？"
这就是过程控制的关键所在，VELO3D的非常注重质量控制。团队开发了一种独特的增材制造工艺，优化了打印参数和序列，以生产坚固的钛部件。Gene解释说："这减少了基板中的内应力，因为材料是在Z构建方向上建立的， 它通过缓解冷却过程中形成的内应力，减少了开裂的可能性。"
XB-1超音速飞机的高复杂度钛部件
质量控制贯穿整个制造过程，从Flow预打印软件开始，通过蓝宝石系统执行，并通过Assure的质量保证进行验证。只需点击一下，就能实现制造前的机器校准，自动检查关键变量，如激光对准、光束稳定性、粉末床质量等。过程中计量监控各种关键指标，并标记这些异常。所有零件的综合构建报告都会被编制并保存起来，供将来参考。南极熊认为，这种高度质量控制的系统，很值得我们中国的厂商学习。
Aaron说："从构建板分离之后，除了最小的支撑物拆除之外，我们打印出来的金属零件在后加工方面几乎没有什么可做的，基本没有什么支撑，因为SupportFree技术消除了这些需求。从蓝宝石系统中出来的零件几乎就是成品了，只需要用螺丝刀或研磨机做一点手工工作。我们也会用铣刀铰出试点孔（在较大的零件上），以确保尺寸正确。这取决于零件，但每个零件大概只需要半个小时的加工时间，这并不是什么大问题。"
刚出炉的零件精加工用轮廓仪测试，平均记录约250 RA。Aaron说："如果客户想达到125 RA，只需要用蒸汽磨光机几分钟就能实现，到目前为止，Boom还没有要求我们调高零件的表面光洁度，他们现在专注于几何形状和零件强度，但如果需要更光滑的表面，那很容易实现。"
三家公司齐心协力，成功为Boom Supersonic的XB-1超音速演示机生产3D打印部件，大家都从合作中学到了很多东西。Boom团队发现，3D打印比他们设想的要复杂，但也能实现他们最初的设计意图。而DMP公司也大大扩展了他们的3D打印专业技术，继续购买了第三台蓝宝石机器。Aaron说："由于我们在增材制造方面的能力，我们获得了很多新业务订单。"
无支撑金属3D打印技术
金属增材制造或3D打印，主要是以熔池快速固化的焊接工艺。在凝固和冷却过程中，零件会产生热应力和残余应力。支撑有两个作用：一是作为固定件，固定零件，防止热变形而移动；二是热传导。临时支撑结构是直接能量沉积(DED)和传统的粉末床熔融(PBF)技术所必须的，通常需要打印完成后加工操作去掉。后期处理增加了成本，使周期延长。更重要的是，它限制了金属3D打印的设计自由度。
几十年来，金属3D打印公司一直依靠支撑结构将零件固定在构建板上，并进行热管理。一般情况下，我们已经开始依赖这些支撑来辅助打印小于45°的低角度结构。但是，这些低角度的几何形状也是在零件整合过程中，在装配体不可进入的内部通道中容易产生支撑。通过使用支撑物将零件固定在构建板上，在一定程度上将3D打印固定在原型设计上。
VELO3D与现有的粉末床熔接解决方案不同，具有独特的能力，可以打印低角度和低至0°（水平）的悬垂，以及大直径和高达100mm的内管，而无需支撑。这不仅省去了后处理的麻烦，而且克服了 45°法则——角度小于45°的就需要支撑。VELO3D让设计师可以自由地构建，释放出大量可以3D打印生产的设计。
据VELO3D介绍，其核心技术是专利的刮刀工艺（re-coater process），称之为非接触式刮刀。它不是使用传统的接触刮刀铺粉机制，而是使用了非接触式技术，好处非常多。非常擅长生产高宽比、薄壁零件、大型件等。简而言之，铺粉时刀片不与金属粉床接触。粉末铺展完毕后，进行一种刮刀非接触式过程在粉末上面，以确保粉末绝对平整。同样，这些都不与实际的床身或部件接触，实现高自由度，从而实现无支撑金属3D打印。
其官网上说得比较含糊，到底这个无支撑金属3D打印技术有何奥妙之处？
截止2020年6月，VELO3D已有约35项专利获得授权。南极熊发现，他们不但在美国、欧洲申请专利，同时也有其中一些专利早早在中国申请了相关专利，由此可见他们对专利保护的重视。南极熊已经收集到这35项专利申请书，里面有详细的技术介绍，很多专利都超过100页！希望对大家有启发。例如
△无支撑金属3D打印专利图之一