間接金屬3D列印零件變形與收縮難以控制?AI軟體或將解決這一難題

2020-12-24 騰訊網

在金屬3D列印領域，以粘結劑噴射和材料擠出工藝為代表的間接金屬3D列印技術獲得了業界的關注。這兩種間接金屬3D列印工藝都是首先列印出金屬零件生胚，然後再經過脫脂燒結過程製造成金屬零件。間接3D列印與粉末床直接金屬3D列印工藝的區別在於，3D列印過程中不存在高溫處理，熱過程被轉移到了燒結步驟，在燒結過程中如何控制熱梯度和應力導致的部件翹曲和損壞仍是間接金屬3D列印技術存在的挑戰之一。

2016年Markforged 公司推出了基於材料擠出工藝的金屬3D列印設備，不過這項技術用於列印金屬絲材的時候有一個業界公認的痛點那就是變形與收縮的控制挑戰。Markforged 針對這一痛點進行了研發投入。根據3D科學谷的市場觀察，Markforged 在年底前將要推出的人工智慧軟體-Blacksmith，是該公司在變形與收縮的控制領域所取得的新成果。本期，3D科學谷就與谷友共同了解一下這款軟體所起到的作用。

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「Blacksmith」軟體試圖通過將其印表機連接到計量設備（此處用來掃描12毫米扳手）來了解和糾正在燒結過程中經常發生的零件幾何形狀變化。

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由算法驅動複雜迭代過程

/ 糾正燒結中發生的幾何形狀變化

Markforged 的「Blacksmith」軟體為自適應製造的人工智慧驅動軟體解決方案，該過程需要適應影響零件的設計、列印和後處理每個步驟中存在的多個變量，這些變量都會影響3D列印。

「Blacksmith」軟體通過將Markforged的3D印表機連接到計量設備（如上圖，掃描的是12毫米的扳手）來了解和糾正在燒結過程中經常發生的零件幾何形狀變化。

當3D掃描將數據點映射到零件的原始CAD或STL文件時，兩者之間的偏差通常需要返回到原始文件進行調整。如果這項工作由人工來完成，則是一項耗時且不精確的方式。而「Blacksmith」軟體的方式是在人工智慧算法、設計工具和3D掃描數據之間建立循環，隨著時間和列印量的增加，將增強公司整個印表機的基礎能力。也就是說，憑藉人工智慧強大的學習能力，當同樣的零件或類似幾何形狀的零件被列印上百次後，一次列印就成功的可能性會更高。

當3D列印設備出現偏差或者整個過程中出現變量，系統可以發出警告或實時進行自我糾正。Markforged 3D印表機使用連接到每臺機器的列印頭的雷射掃描儀來同時創建和檢查零件，然後將數據反饋到雲中。隨著越來越多的計算機將反饋共享到雲中，這些數據將使自校正功能變得更快更準。

軟體中使用了預失真幾何的算法，考慮了預期的變形並抵消了變形，以產生預期的零件。

/ 學習零件基本幾何形狀

Markforged 的金屬3D列印技術為一種間接金屬增材製造工藝，即首先3D列印零件的生胚，生胚製造材料為一種將金屬顆粒與塑料基質混合在一起的金屬絲。列印完成後，零件被放入溶劑中，除去第一階段的粘結材料，然後再放入燒結爐將殘留粘結材料燒掉，並將金屬顆粒融合在一起。從最初的設計文件到最終的金屬零件，這一過程中零件有很多機會因變形而偏離其原始設計。材料、加工溫度和大氣成分以複雜的方式相互作用，Markforged試圖對此進行理解和控制。

「Blacksmith」軟體將設計文件上傳到雲中進行切片，然後，系統將文件發送到由一組連接的3D印表機共享的反饋循環中，隨著時間的推移提高每臺機器的零件精度。總體來說，該軟體是Markforged公司努力理解和控制其基於材料擠出工藝的間接金屬增材製造端到端過程的結果。

在以上扳手的案例中，掃描零件時，扳手孔的直徑可以完美地插入，但是可能會有一些輕微的變形，軟體可以識別這些特徵，將它們與點雲進行比較，並識別出任何差異。將生胚零件從燒結爐中取出後，用戶可以掃描這些零件的幾何形狀，並將其發送回「Blacksmith」軟體，並在輸入文件和點雲之間，比較掃描產生的結果。該軟體的目的是確定3D列印或燒結過程的哪些方面可能導致變形，然後創建一個糾正這些變形的新模型。

「Blacksmith」軟體的成功將取決於其學習基本零件幾何形狀的能力。在這一軟體的邏輯中，每種設計都是幾何成分的非線性組合。還是以扳手為例，網格文件未描繪扳手，而是描繪了在較大幾何圖中彼此相對定位的一系列孔、邊、角和形狀。例如，一個簡單的零件由一個圓柱體和一個立方體組成，它們組合成一個新的形狀。「Blacksmith」軟體正在學習列印立方體的含義，列印圓柱體的含義以及這些形狀在上下文中的含義。總之，其目標是是利用從這些幾何學中學到的一切，使零件以及類似零件在首次列印時就獲得成功。

3D科學谷Review

Markforged 針對間接金屬3D列印工藝中存在的變形與收縮挑戰所提出的解決方案不僅僅是軟體。根據3D科學谷的市場研究，Markforged申請了專利，通過將粘結劑、陶瓷材料作為分離層與支撐層一起列印完成，使得金屬3D列印所獲得的生坯具有更好的防止變形與熱收縮控制能力。有關這一控制方式的研究請前往《減少3D列印後燒結變形， 看陶瓷材料如何應用於擠出式金屬列印》。

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