配國產數據處理軟體,國產金屬3D印表機走向歐洲

導讀：今天，南極熊想向讀者介紹一個國產金屬3D列印廠商，配套國產3D列印數據處理軟體，成功走出了國門的案例。並以金屬3D列印開瓶器為例，揭示技術的成熟程度和應用效果。

文/Voxeldance Additive

現今，3D列印硬體的發展已經遠遠超過了軟體的發展，因此一個創新的3D列印軟體解決方案是促進增材製造行業發展的關鍵因素。

由VoxelDance公司開發的3D列印數據處理軟體—Voxeldance Additive，是3D列印流程中必不可少的一環。軟體開放的參數設置和多策略的路徑規劃，可以幫助廠商提高列印效率和質量。

作為少有的國產自主工業級3D列印軟體公司，VoxelDance與3D列印OEM廠商緊密合作，為廠商提供最優的軟體解決方案，釋放3D列印硬體潛能。

同樣在國內，已經有越來越多的3D列印OEM廠商認識到3D列印數據軟體對提高列印效率和質量的重要性。在這一年多的時間裡，VoxelDance已經和很多有同樣信念的廠商建立了戰略合作夥伴關係。之後我們會一一揭曉我們和廠商之間的故事與成功案例，希望讓更多人能了解VoxelDance的價值，建立合作，一起釋放3D列印的潛能。

先臨三維與VoxelDance的合作始於2019年，是我們最早的合作廠商之一。

先臨三維位於杭州，公司匯聚了專注金屬3D列印技術的北京易加三維科技有限公司，致力於成為具有全球影響力的3D數位化和3D列印技術企業。

說到和先臨的合作，不得不提的是，先臨三維3D列印業務主力企業【易加三維】。在我們軟體推廣之初，易加三維總經理-馮濤首先發現了VoxelDance的市場潛力，在他的直接推動下，易加三維對Voxeldance Additive完成了技術評測，並將其應用於易加的EP-M150和EP-M250 Pro印表機。

2019年底，先臨三維德國子公司完成了易加EP-M150和EP-M250 Pro印表機裝機和調試。先臨三維開始在歐洲市場提供從3D數位化，智能製造到增材製造的整體服務。在市場推廣中，Voxeldance Additive也被正式納入先臨3D列印解決方案中，完成3D列印流程中的數據處理。

以上是先臨三維的完整3D列印流程。摘自先臨三維網絡研討會，由先臨三維德國銷售主管張震演示。

「VoxelDance軟體具備了3D列印數據前處理所需要的所有功能，而且隨著軟體的不斷升級，增加了自動支撐的類型，使得處理過程越來越高效。我們非常高興地將VoxelDance融入我們整個流程鏈，將整套解決方案提供給歐洲的客戶，並且提供了相應的培訓，在市場上收穫了很不錯的反饋。尤其是在齒科列印領域….」

——張震，先臨三維德國子公司，大客戶經理

VoxelDance在齒科列印的應用已經非常成熟，我們軟體獨有的牙冠杯口自動朝上擺放，高密度2D嵌套擺放，全自動支撐幫助先臨的用戶快速完成數據處理，提高列印效率。

先臨的德國技術團隊也在不停探索3D列印的各種應用，在幾乎沒有支撐和後處理的情況下小批量快速製造了一批開瓶器掛件。

圖片來自於先臨三維

先臨的德國技術團隊將這應用製作了一個完整的視頻，演示了先臨從智能設計，數據處理，增材製造，三維檢測的完整流程，其中數據處理就是使用了Voxeldance Additive軟體。這個視頻是先臨三維和VoxelDance在3D列印完整方案中的經典案例，也非常具有教育及普及意義。

點擊下方視頻，觀看先臨增材製造網絡研討會【3D列印開瓶器掛件】，可以了解Voxeldance Additive在先臨3D列印整體解決方案中的扮演的重要角色。

視頻來自於先臨三維德國團隊，英文講解，之後我們也會在下文通過文字編譯講解。

註：此視頻中演示的Voxeldance Additive是1.0版本，截至發稿時，軟體已經升級到2.0，部分功能和操作有所不同。在當時教程中，雖然使用了先臨自己開發的切片填充軟體，但Voxeldance Additive目前也是可以對切片進行填充，設置掃描策略和雷射參數，並直接導出工藝文件。

視頻詳細講解

首先，演示我是如何設計這個零件的，如何對這個零件進行生成式設計研究的。

之後，我會演示如何使用Voxeldance Additive來修複數據，優化零件方向，生成支撐，2D嵌套擺放和切片，使其能夠使用於我們的路徑規劃軟體【EPHatch】。

然後，準備3D印表機，並介紹3D印表機的控制軟體。

最後，用最新的三維掃描儀來掃描開瓶器，將掃描數據和設計文件做對比，來看一下列印結果是否精確。

1.

智能設計

這個開瓶器掛件通過拓撲優化設計與有限元分析實現了兩個目標：

1、通過產品形態上的調整，使列印的支撐結構最少化，以減少材料消耗、列印時間和後處理的成本。

2、經過強度和壓力的模擬，進一步「削除」冗餘，讓整個開瓶器的設計簡潔、精幹。

1.1 增材製造設計

首先，看一下兩個和瓶子連接的連接頭。我做了一些研究來設計這個形狀使其可以打開瓶蓋，和這兩個零件之間的應該留的間隙。

在現有設計的基礎上，針對增材製造技術，我設計了把手。這個時候我已經想好了，我要豎直列印這個零件，並且在豎直擺放這個零件後，不需要支撐就能列印。

確定好列印方向後，設計時，相對於水平面不能有小於45度的面。

下面，連接前面和後面的零件。為了讓零件更加強壯，創建其他結構連接開瓶器和瓶蓋接觸的部位。在零件上面加了一個面，加上先臨的LOGO。我也創建了一些圓角，使其能夠更容易列印。

因為這是一個開瓶器鑰匙圈，我們需要在後面加上一個洞，用來掛在鑰匙扣上。

根據先臨的機器設置，無支撐列印一個空洞的直徑大小可以達到25mm。當然這裡設計的孔洞遠遠小於這個數值，列印的時候不需要添加支撐。

1.2 生成式設計

接下來的部分是生成式設計驗證。我們來看一下是如何進行的。

先在軟體的材料表格中設置材料參數為【TI6AI4V】。

工程師選擇了鈦合金（Ti6Al4V 23級）材料，確保最終成品即輕巧又牢固耐用。鈦合金這種增材製造材料，通常應用於航空航天、國防、汽車（含賽車）、醫療和牙科等行業。它具有良好的機械性能：抗拉強度 1250 MPa 屈服強度 1080 MPa 硬度 36 HRC 斷裂延伸率 12±2 % 屈服強度 1080 MPa

為了能夠實現這個生成式設計，我們要先創建一個設計空間，在這個案例中是整個零件。我們需要預留一些我們不想要有改變的區域，偏移量表示從零件表面到內部多深的地方不想要有改變。我們設置為0.4mm。

最重要的是設置力，我做了一些研究得到開瓶器和瓶蓋的接觸面上的力為160牛。我們也可以應用壓力，重力和扭力，但這裡我們只需要【固定】面，這裡的固定面是前面固定瓶蓋的面，這裡的偏置距離，我們設定為0.5mm。

然後，我們設置一下加工設置參數。在這個優化設置中，我們可以設置對形狀【沒有影響】或者【鏤空】或者【壁厚】或者【像支柱一樣的結構】。我想要保持原來的形狀，在重量上有一點點的優化。我會保持材料【材料傳播】為0%。當然，我也要勾選【防止封閉的空隙產生】。

我們這裡還沒有設置【防止垂懸軸】，但是這個參數非常重要，我們在這個設計中設置為X。【材料擠壓】參數不需要設置，因為我們不是使用的FDM，FFF技術。點擊OK.

當我們點擊【生成】，我們可以設置【學習質量】,這裡會顯示需要學習的時間。

如果我們想要減少質量，但我覺得一點點【減少質量】就夠了，或者我們可以設置一個目標質量，或者設置一個【安全因子】。這裡我覺得【安全因子】這個參數更加有意義，因為我們不想要我們的開瓶器斷掉，然後我們點擊生成。

生成完成後，你會看到模型會有一點點的變化。

你可以看到不同的壓力水平，紅色的為最高的壓力，藍色是最低壓力。

2.

數據準備

首先，我們把我們的開瓶器導入到Voxeldance Additive軟體。

然後，我們把它調整到要列印的角度。就像我之前所說的， 我設計這個零件的時候是根據水平面的角度是小於45度的。設置2mm的距離平臺的高度，然後移動零件到平臺上。

因為STL文件是由三角面組成的，所以零件質量可能沒有很完美。在Voxeldance Additive軟體中有修復功能，可以自動修復或者進入修復模塊來修復零件。

這裡你可以看到所有的零件，這裡只有一個殼體，沒有孔洞，所以我們的零件的列印質量是很好的。

然後，我們要給零件生成支撐。我們可以直接運行支撐腳本或者進入支撐模塊，這裡我們選擇之前設置好的腳本【TI6AI4V】。

選擇我需要生成支撐的面，然後生成支撐。你可以看到這個支撐上的齒形結構將支撐和零件連接起來。實際上，參數和腳本的設置沒有那麼簡單，需要豐富的經驗。

接下來，我們要做的是複製零件。我們看一下有多少零件可以放下，80個零件看起來不錯。

在使用2D嵌套擺放之前，我們需要先選中所有零件。我們點擊2D嵌套，設置我們希望這些零件如何嵌套擺放在列印平臺上，比如零件間距設置和擺放方案。

這裡我們也可以看到0.5mm的間距有點過於接近平臺了。我們再來做一次修改迭代。所有的零件以不同的方向擺放，同時零件到平臺的邊緣更寬，零件和零件的間距也變大了。

之後，我們點擊【切片】。切片後，軟體會顯示切片，我們可以查看所有的切片，並觀察零件是如何一層一層的創建起來的。

切片後，我們導出文件為.CLI文件，這些文件可以導入我們自己開發的軟體【EPHatch】，並生成雷射路徑。

我們可以創建新的列印策略或者選擇合適的列印策略。這裡我們選擇這個正確的策略，可以用在我們的機器上面，可以用於鈦合金材料。在這裡你可以看到很多功能，會影響零件列印質量和性能，雷射和速度尤其重要。

所以我們打開零件，和Voxeldance軟體一樣，我們可以一層一層的查看零件的切片。所以我們可以對所有零件填充路徑或者填充部分零件。我把這些零件先合併了，這樣軟體就能更容易處理。現在【EPHatch】正在計算雷射路徑。

現在藍色的線條顯示的是實際的雷射路徑。當我們放大視圖，我們可以看到這些雷射是如何跳轉的。

3.

增材製造

接下來，我們可以將這些生成的文件發送到機器。

我們可以看到機器的控制界面，對其進行多種設置，比如，我現在在向下移動成型缸，我也可以用紅色的按鍵將其回歸到原位。

我也可以對供給缸做同樣的操作，供給缸裡面裝的是我們的金屬粉末，上面移動的記錄儀表示金屬粉末在被一層層地移動到左邊，直到零件列印完成。

下一頁是數據頁，可以快速導入我們所有的零件。綠色表示用雷射1掃描的零件，紫色表示用雷射2掃描的零件。因為我們是多雷射系統，同時你也可以看到中間重合的區域在每一層上會不停的變換雷射，可以列印出更高質量的零件。

在這裡我們也可以一層層的預覽零件，如果我們選中一個零件，我們可以選擇雷射和掃描策略，我們可以重新放置零件，旋轉，移動，或者其他操作。

點擊右下角的下一步按鍵，點擊準備，開始準備機器。也可以直接點擊【GO】，機器會先開始準備，然後開始立刻列印。

列印完成後，我們會得到一個文件，在列印過程中，機器會不停的測量底部工具欄裡所有的尺寸，並且調整參數，例如氧氣含量。這些參數都會被追蹤，並且生成一個包含所有物理傳感器功能的MQTT的報告，並發送到資料庫，來連接機器和生產系統。

這個文件打開後看起來是這樣的。首先，我們會看到被列印的零件，氧氣含量對應在不同的列印層，我們也看到壓差過濾器，氣速，還有艙壓。對於我來說，非常有趣的是供應比，表示我們在切片層上供應了較多的金屬粉，因為這裡有多餘的粉末被燒結了。

確認好文件後，我們取出這些零件並對其進行後處理。因此我們需要先等零件冷卻，再去除零件。我們會回收這些金屬列印粉末，為下一次列印使用。

接下來我們會弄斷零件下面的支撐，把零件從列印平臺上分離開來，並對其拋光。

4.

三維檢測

使用三維掃描儀AutoScan Inspe來驗證我們的列印質量。

在左邊的窗口，你可以看三維掃描儀在掃描開瓶器。右邊的窗口可以看到零件在軟體中生成。

三維掃描儀由兩個5百萬像素的攝像頭，旋轉平臺和其他高精度組件（精度小於10um）組成。我們需要編輯一下數據，或者裁切一下掃描的平臺。之後，我們旋轉零件方向，再次掃描。我們將兩個掃描數據合併一下，最後得到最終的STL文件。

最後我們把掃描數據和CAD數據在Control X軟體中做一下對比，你可以看到，兩個數據現在完美的重合在一起，我們的生產質量完全能夠滿足這個產品。