CP1铝合金以铝铁锆成分优化与单步低温热处理突破传统铝镁硅合金局限。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

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根据3D科学谷的市场观察，美国Velo3D公司近期宣布，将参与美国陆军作战能力发展司令部航空与导弹中心及制造与保障项目资助的一项计划。Velo3D此次参与的计划聚焦于CP1铝合金高通量、经济性增材制造工艺的开发，以服务于国防领域应用需求。

据介绍，该项目中，Velo3D将与雷神技术公司（RTX）及雷神技术研究中心（RTRC）合作，针对CP1铝合金开发优化的激光粉末床熔融（L-PBF）工艺。该工艺将服务于美国陆军综合防空与导弹防御方向，包括提升系统敏捷性、经济性及作战准备状态。项目将依托Velo3D的大尺寸增材制造技术，构建可跨项目、跨设施扩展的可重复工艺体系。

根据Velo3D公司，此次公司被资助，原因在于其具备突破传统L-PBF系统固有局限的技术特性。该公司通过软硬件全集成架构实现工艺控制，包括工厂设备匹配、原位监测、标准化工艺参数及集中式数据系统，可确保不同设备及场地间制造结果的一致性与可重复性，这一特性对分布式制造具有重要意义。

增材制造被认为对构建弹性、敏捷的国防供应链具有关键作用。此次政企合作旨在建立CP1铝合金生产的可扩展、可重复工艺，以提升快速响应能力与质量保障水平。

 CP1铝合金

Velo3D公司曾揭示了CP1铝合金的特性及优势，尤其是与传统铝镁硅合金（F357、AlSi10Mg）相较而言体现出来的优势。进一步揭示了该材料及其增材制造应用对于国防应用的意义。

Aheadd® CP1铝合金室温力学性能

一、成分设计与工艺适配性优化

CP1为铝铁锆合金，其成分中不含硅和镁（传统铝镁硅合金含硅和镁）。由于CP1具有高固相线温度，且不含镁（更适用于钎焊）、不含硅（可避免焊接时产生气孔），因此适用于需与传统材料钎焊或焊接的应用场景。

二、热处理工艺简化

F357打印的零件需通过固溶处理、淬火、时效三个独立步骤进行热处理；CP1零件仅需单步4小时的低温热处理，可节省时间与成本，并避免高温处理导致的热变形。

三、材料性能优势

各向同性：CP1材料具有各向同性，零件无论在构建平台上的取向如何，其力学性能均保持一致。

高温稳定性：CP1在300°C以下可保持组织稳定性，适用于高温应用场景。

热导率：经热处理后会析出锆铁相，形成近乎纯铝的基体，从而具备高导电与导热性能。测试表明，CP1的热导率为187 W/mK，而F357的标准值约为150 W/mK。

耐腐蚀性与表面处理兼容性：CP1本身具备耐腐蚀性，且支持硬质阳极氧化、化学蚀刻等表面处理工艺，避免了F357处理时的污斑问题。

根据Velo3D, CP1 材料的增材制造应用包括赛车、航空航天，此外还将扩展至半导体及通用工业领域。

 早期用户应用案例

PWR是高性能赛车冷却系统（主要为散热器与热交换器）的全球供应商，服务于一级方程式、纳斯卡等赛车领域，近年已拓展至电子、军事及航空航天行业。PWR早期使用F357铝合金生产热交换器，但因产品多为“部分组件采用增材制造的装配体”，需满足钎焊、快速热处理及表面处理需求，故转向CP1铝合金。

CP1铝合金增材制造的热交换器

PWR选择CP1铝合金材料的原因在于：其一，CP1不含镁提升钎焊兼容性，单步4小时低温热处理替代F357的三步复杂流程，适配装配体快速制造需求；其二，CP1支持硬质阳极氧化、化学蚀刻，处理效果与传统零件相当，避免F357处理时的污斑问题；其三，CP1稳定性支持厚层铺粉（50微米增至100微米），减少60%打印时间，降低电能与氩气消耗，解决成本与吞吐量障碍。

目前，PWR已完成Velo3D Sapphire增材制造系统从F357到CP1铝合金材料的切换与生产认证。该公司正开发全集成增材制造热交换器，以适配2026年一级方程式规则调整后的重量限制与热性能平衡需求。

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3D打印技术创造自由度
© Velo 3D

 成就难加工的复杂零件

根据3D科学谷，Velo3D的发展非常迅速，2020年他们宣布成为SpaceX的3D打印机供应商，从2014年成立，迅速成为主流航空航天业领导企业的供应商，Velo3D开辟了一条针对金属3D打印走向产业化的痛点来开发设备与软件解决方案的道路。

根据Benny Buller，SpaceX通过Velo3D的3D打印技术用于特定组件生产，在使用现有技术制造时，虽然SpaceX一直在使用3D打印技术来生产发动机，但当他们设计下一代发动机时，有些零件他们无法生产，随着时间的推移，越来越多的零件转移到Velo3D的系统中来生产。

© AMPower

根据3D科学谷，2022年，Velo 3D的年销售收入为8千万美金（约5.6亿人民币），2023年预计实现的销售收入为1 .2亿美金~1.3亿美金（约8亿人民币～9亿人民币），截止到发稿日，Velo 3D的市值为3.13亿美金（约22亿人民币）。

 软件成就快速发展

根据3D科学谷的市场观察，VELO3D的市场定位相当清晰：设计自由，敏捷生产和质量保证，这些是VELO3D通过技术打造的独特的市场定位。VELO3D是一家软件驱动硬件的企业。这也预示着在不久的未来，能够存活在市场上的3D打印企业所需要的硬核实力中，软件是其中重要的一块。面向生产的需求，Velo3D开发了新的智能熔化粉末床金属增材制造系统。该系统从的设计目的是为了用于生产工作，从零件加工过程模拟开始，到生成加工策略，然后，通过各种过程控制，以确保在多个零件加工中保持质量的稳定性和一致性。

确保提供机器运转正常，零件完整性和构建过程的可追溯性，Velo3D开发的Assure质量控制系统面临生产领域对于效率、质量一致性以及加工稳定性的需求，确保提供批量生产所需的零件质量。它可以检测过程异常，对其进行标记，并显示所需的纠正措施，从而避免重复出现错误。

通过基于多传感器的实时监测以及机器算法，3D科学谷了解到Assure可提供前所未有的零件质量可追溯性，并在异常发生时立即对其进行标记。这样可以减少差异，并提供全面的文档来快速跟踪3D打印零件的验证。

通过Assure系统监视3D打印构建过程的完整性，验证散装物料密度，观察正在进行的打印过程并验证跨多个生产运行的系统校准，Assure提供了产业化的基础。

而VELO 3D的客户SpaceX再一次为Velo3D的成长打开了上行空间。关于3D打印对火箭制造行业的革新作用， SpaceX首席设计师兼首席执行官马斯克有着精辟的观点：通过3D打印，可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。通过3D打印来创建高性能的火箭零件，SpaceX正在推动增材制造的极限，以期使Falcon 9火箭、Dragon飞船以及Starship火箭比以往任何时候都更加可靠，强大和高效。

SpaceX一直致力于将人类带入火星，并专注于制造可重复使用的发射系统，SpaceX的Raptor发动机设计可重复使用1000次。根据SpaceX的说法，制造过程包括许多3D打印零件，从而可以降低成本并使更轻的零件生产成为可能。3D打印的组件包括推进剂阀体，涡轮泵零件和喷射器系统的零件。

3D打印可以大大降低生产成本，并提高发动机的推力重量比，因为它可以生产传统方法无法实现的更轻的零件。

3D打印引擎组件的另一个额外优势是可以提高设计更改的速度，与几周甚至几个月的时间相比，它使研发团队迅速的完成多次设计迭代过程，从而获得设计与制造两个层面的突破。

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3D打印液体火箭发动机
© Launcher

航空航天增材制造应用发展方向
© 3D科学谷白皮书

 成就复杂精密的零件

Launcher E‑2 液体火箭发动机针对大规模生产和低成本进行了优化，3D打印助力引擎达到了令人难以置信的技术水平：成就更高性能的液氧(LOX)和煤油(RP‑1)液体火箭发动机。

从一开始，E‑2就被设计成最高性能的发动机在小型卫星发射器类中推力最大，推进剂最低消耗量和每磅推力的最低成本。但是像E‑2这样的创新设计需要使用同样创新的技术。为了帮助 E‑2 从设计过渡到完全实现的部件，Launcher在每个阶段利用3D打印和增材制造(AM)开发，这有助于降低项目成本并优化其设计大量生产。

如果任何液体火箭发动机，到达轨道后，涡轮分子泵是该项目中最具挑战性的部分之一……或者至少是挑战的一半，用于分级燃烧的涡轮泵，由于封闭的循环，挑战的水平会增加。

Launcher 的工程师要求 LOX 泵的叶轮高度平衡，使其能够以所需的30,000转/分旋转，在低温条件下，同时运输液氧。3D打印的30,000 rpm 转速旋转的叶轮产生大约在涡轮机产生 1 兆瓦的电力，在这种类型环境，在 4000 psi 的排放压力下，任何异常，包括转子和定子之间的任何摩擦，都可能导致计划外的拆卸。

根据3D科学谷的市场观察，通过3D打印技术制造整体式的火箭发动机是从事小型航天器发射的航天公司的技术聚焦点之一。对于初创企业而言，航空航天业一直是一个难以进入的市场，挑战并非仅仅来自知识产权，除了需要与现有的航空航天业供应商巨头竞争，像Launcher这样的初创企业还面对多方面的挑战与压力。

常用的金属3D打印技术面临的挑战是零件的悬垂表面往往需要支撑材料，这些支撑结构难以正确设计，并且在后处理过程中从零件中移除既困难又昂贵。对支撑材料的需求通常会导致工程师为了避免需要支撑材料而牺牲其优化设计，并且修改现有设计的可3D打印性。

之前，为了避免使用难以移除的内部支撑，增材制造工程师被迫将叶轮倾斜一个角度以完成增材制造。这种倾斜，旨在使零件可3D打印，但通常会产生不平衡的几何形状，这对这种类型的组件是有害的。3D科学谷了解到虽然这种方法可能会产生一个看起来像功能性叶轮的零件，但以这种方式3D打印的金属打印零件角度通常会变得拉长或不圆，并且无法在最终产品所需的公差范围内进行平衡。

通过Stratasys的直接制造服务，Launcher制造一个平衡良好的诱导叶轮加速并驱动LOX进入燃烧室，从而产生更大的流体流动并最终为火箭提供更大的推力。

通过集成两个独立的零件，将诱导轮和叶轮合二为一，通过3D打印成为效率更高的零件，打印材料是INCONEL®718，是一种耐腐蚀材料，具有良好的液氧兼容性和出色的低温下的机械强度。

 © Velo 3D & Launcher

 硬件与软件的组合实力

根据3D科学谷的了解，当前航空航天采用金属增材制造存在着一些障碍与挑战，与更简单的 3D 打印技术相比，金属增材制造本质上涉及对过程的更严格控制。这些反过来又可能成为该行业许多人的进入障碍。以惰性气体（也称为稀有气体）的问题为例。金属 3D 打印需要充满这些气体的封闭构建室，以确保零件质量。对于确保氧气不会进入并导致脆化或其他不良冶金条件至关重要。

材料的反应性越强在加工方面是另外一个挑战，例如与航空工业首选的钛或其他合金，由于其高强度重量比，可能的损坏就越大。这是因为氧气和氢气会在零件中产生高孔隙率水平，从而对强度和刚度特性产生负面影响。

因此，气体调节很重要，因为没有它，用户将获得不太完美的结果，这显然不是航空航天等安全关键行业的选择。在使用传统系统时，调节这种惰性气体流量以跟上激光发射过程中产生的烟灰通常是一个问题。这会导致烟灰堆积会干扰传递到粉末床的能量，从而导致结果不一致。

除了气体问题，另一个潜在的障碍与软件有关。值得注意的是，该公司指出，许多传统解决方案不提供现场监控，也不允许用户提前优化构建参数。如果没有具体、可靠的现场监控，用户将无法捕获可用的指标，从而使用户无法识别打印过程中的缺陷。这反过来会导致更多的构建失败，因为零件只有在流程完成后才被识别为有缺陷的。当涉及到参数时，这也是一个问题。如果系统无法优化特定零件的参数，则用户被迫进行多次构建以微调设计以达到所需的最终质量。这既浪费又昂贵，对希望采用金属增材制造的业内人士构成了重大障碍。

最后，航空航天公司进入金属增材制造市场的最大障碍之一是铺粉刮刀刀片，当零件过热导致可以到达刀片的突起时，是激光粉末床系统构建失败的主要原因之一。为了获得更有效、更可靠的打印，这是必须解决的主要问题之一。

克服更常用的金属3D打印遇到的问题，此案例中使用了Velo3D Sapphire®系统，凭借Velo3D固有的 SupportFree™ AM 工艺，克服了与常用金属AM增材制造技术相关的设计和制造妥协。

在取得积极成果后，零件经过了磨料流加工工艺，使流体流动顺畅，还通过CNC数控进行了实现最终精度的精加工。该组件还经过荧光处理、渗透检查和涂层以验证达到项目规范。

像 Launcher 这样的项目所面临的部分挑战是经历了如此多的建模、改进和迭代的设计。借助 Velo3D 及其 Flow™ 软件和Sapphire®3D打印机之间的协同作用，Stratasys Direct 能够通过真正的端到端增材解决方案交付这些复杂的设计。

叶轮的成功打印主要由于VELO 3D的“无支撑”3D打印技术，其受到航空航天领域采用的原因还在于VELO 3D的Assure™质量保证和控制系统。该系统具有直观的图表，使用户能够查看和解释在构建过程中收集的大量数据。根据VELO 3D，这些信息可帮助工程师验证构建过程中每个步骤的质量，并使其在出现问题时能够快速做出决策。确保可以帮助减少生产差异，提高产量并规避异常情况，以确保一致的增材制造结果。

由于在空气动力学设计方面必须同时满足卓越的耐用性和高温工作的挑战性要求，飞机硬件尤其难以通过3D金属打印的方式来制造。VELO3D的技术能够生产轻薄、复杂的设计部件，满足最苛刻工作条件下的任务关键型应用要求。

根据3D科学谷的市场观察，在国内，所有的国际和国内品牌都面临着同样残酷的价格竞争，用户在决策采购3D打印设备的时候，往往忽略了功能实现才是自己最终所关注的用户价值所在，而是将设备商的硬件参数放在一起做比较，在看似“同样”的设备配置基础上，往往单纯的去压低设备商的价格。这是3D打印应用端需要警醒的一个误区，更稳定更智能的设备是创造产品的基础，忽略设备的软性条件，这未免也将用户自身的制造需求引入了另外一种误区，对产业的自身发展也是极为不利的。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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3D打印为这些挑战带来了解决方案，保有零件的图纸而不是保有大量的零件库存，成为3D打印贡献给地球的可持续发展的一个方式。

壳牌在其阿姆斯特丹技术中心的粉末床熔化3D打印零件© 壳牌

简化打印工艺准备过程

库存中的零件通常与最初设计设施时选择的零件相同，制造商可能不再提供替代品。随着操作要求的变化或下一代设计的引入，升级组件设计或材料的机会是有限的。

使这些问题更加复杂的是，许多石油和天然气站点还位于偏远或难以进入的位置——例如近海和北极——这使得服务和现场支持成为问题。除非在每个地点都有库存，否则如何能够可靠且快速地向世界遥远角落的设施提供关键零件？

 AM 增材制造潜力和障碍

油气运营商越来越愿意考虑将金属增材制造（AM，又名 3D 打印）作为应对此类挑战的潜在答案，以实现更高效、更具成本效益的解决方案，以解决持续的库存和地理障碍。

然而，在油气行业广泛采用增材制造仍然存在一些重大障碍。

大多数现有的金属增材制造技术需要广泛的3D打印参数开发知识，这有时可能是一个劳动密集型的过程，并导致在高效快速地适应不断变化的几何形状和特征方面面临挑战。这些系统还需要对部件进行大量的重新设计，以使其可打印，而不是允许按照最初设计的方式打印部件。此外，整个打印过程的数据对于评估最终部件的质量至关重要。

更重要的是，当前市场上很多增材制造设备的一个限制是：在一台 AM 增材制造设备上设置的打印文件通常不能在另一台机器上直接使用——有时即使它们是相同的品牌和型号——没有用户干预；结果可以是基于单个机器校准的不断变化的文件。这造成了数字库存挑战，类似于油气运营商已经在处理的当前实物库存挑战。

迄今为止，根据3D科学谷的市场观察，美国石油协会 (API) 还没有发布关于 AM 材料采购或规格的指南。对于有兴趣将更先进的工业 AM 技术应用到其可提供的速度和质量有益的应用中的用户来说，这一直是一个挑战。

 增材制造 API 指南

然而，目前正在以 API20S 的形式提供指导，这是有史以来第一个油气行业认可的金属 AM 规范。目前正在投票中，这将阐明对所有类型的油气设施中使用的金属 AM 组件制造商的流程、测试、文档和可追溯性以及其他要求。

API20S 草案是在数百家公司（从运营商到原始设备制造商到 AM 机器制造商）的意见下起草的，现在处于最后阶段，但仍有可能发生变化。虽然没有详细说明完整的成功标准（即所需的机械或无损检测验收标准），但 API20S 确实概述了根据油气作业中的不同风险级别需要进行哪些类型的测试和验证。

在一个案例中， IMI Critical 现已交付了最高关键性增材制造规范级别 3 (AMSL 3)，即用于现场服务的首件组件构建零件，还符合 API20S 草案要求，是在由合约制造商 Knust-Godwin 运营的 VELO3D Sapphire AM 系统上打印的。

AM增材制造系统制造商VELO3D 为 IMI Critical 提供所需水平的先进 AM 技术。与同时也是 API 委员会成员的主要油气运营商合作，

VELO3D的该解决方案包括自动预构建系统校准和端到端构建质量监控和报告——这些功能提供的数据类型正是 API20S 的许多目标所基于的数据类型。该联合项目的长期目标是建立一个现场测量数据纲要，以支持 AM 生产部件认证的路径，以及未来建立更精确的材料特性和测试方法规范。

对于团队项目，O&G 操作员选择了一个常用的节流阀笼。该部件制造时带有用于端口的简单槽孔，由于高压降操作中的修边腐蚀，这些槽孔可能会出现振动和损坏问题。

从创建这个部件到今天，流量控制行业已经发生了很大的变化。一项创新是 IMI Critical 的技术改进 DRAG®，DRAG®由一系列离散的多级流路组成，可以更好地控制流体速度并防止振动和修剪侵蚀问题。多年来一直生产金属 AM 部件的 IMI Critical 看到了一个商机，不仅可以“按需”更换部件，还可以通过 DRAG 提高其性能。

下一步是评估 Inconel 718 的 3D 打印新设计（图 1）。后处理机加工零件，

图 1. 使用 IMI 的 DRAG 技术优化的两个节流阀

 打印与制造要求看齐

随着零件的 CAD 设计完成，现在是转向增材制造的时候了。与其他金属 AM 增材制造打印系统不同，VELO3D 的 Flow 打印准备软件可自动响应零件的几何形状，无需开发任何复杂的零件特定参数，这使得设计工程师能够首先专注于他们所需的最终部件功能，而无需进行复杂的预打印参数操作。

图 2. 使用 VELO3D 的 Flow 软件的三种表面光洁度测试条件。

整个打印过程的质量控制——以及任何地方的再现性是重要的，在项目期间始终牢记 API20S 要求，VELO3D 的内部质量控制软件 Assure 提供的自动化非常有益。根据3D科学谷的了解，在构建前一键校准后，VELO3D的Assure质量管理系统会逐层编译该数据以及在构建过程中收集大量信息，然后自动生成包含重要信息的构建报告。

原始数据和高度映射器图像（图 3）对于评估和评估零件的关键区域以供未来生产也很有用。结合 Flow 预打印软件，这允许在任何 VELO3D 系统上打印相同的打印文件，无论是谁在操作它或它在世界上的哪个地方——具有相同的预期最终部件质量。先进 AM 的这些功能现在可以实现数字仓储和按需更换零件。”

图 3a、b、c、d。（上）逐层构建：（a. 左）重涂后的粉末床和（b. 右）激光后的粉末床。（下）单层高度图软件图像显示（c. 左）重涂后的粉末床，确保激光表面均匀，（d. 右）激光后的粉末床，提供观察零件性能和下一次重涂的安全环境。

最终，节流阀组件被成功打印（图 4）。从那里，阀门与 API20S 测试样本一起从构建板上移除。然后将阀门加工至最终成品（图 5），同时根据 API20S的要求对样品进行测试。

图 4. 使用 IMI 的 DRAG 技术优化的两个节流阀

图 5. 完成后的两个阀门。

这些阀门随后在 IMI Critical（图 6）进行了流量测试，然后交付给 O&G 运营商用于即将进行的现场试验。流量测试结果深刻证明了 Flow 软件提供的通用过程的一致性。

图 6. 在 IMI Critical 的设施中完成的节流阀流量测试。

在现场安装和测试新的节流阀笼之后，IMI Critical 下一步计划制造更大尺寸的流量控制元件，或更大体积的更小流量控制元件。

 采用步伐加快

根据3D科学谷的市场观察，石油天然气领域对3D打印技术的采用步伐正在加快，其中Howco公司2020年还购买全新的SLM Solutions的SLM®500选区激光熔化设备。Howco公司是全球领先的石油、天然气行业原材料分销商，这台增材制造设备将用于Howco公司新建于得克萨斯州休斯顿的增材制造工厂。

而国际质量保证和风险管理公司DNVGL还在新加坡推出全球增材制造中心，致力于石油天然气，海洋和海洋（O＆M）领域3D打印技术的研发。

DNVGL通过新加坡的增材制造中心，通过3D打印硬件，工艺，材料和3D打印部件认证的技术标准和指导方针，加速O＆M行业中3D打印的应用。

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材料与加工工艺的结合

铝合金（或“铝”）的应用场景是什么呢？如果您在需要坚固、轻便的零件，则可以使用比强度更高的金属合金，例如钛，具有更好的强度与密度比。如果您正在寻找热管理技术，那么肯定会有传热系数更高的合金，例如铜合金。如果您的目标是最低密度或更高的电势，镁合金是一个不错的选择。尽管如此，铝合金还是人们日常生活中遇到的最普遍的合金之一，这确实有充分的理由：在成本、性能和可制造性方面，铝合金都具备独特的优势。

铝合金通常分为铸造合金或锻造合金，3D打印铝的最初成功主要是铸造合金。锻造合金可能是要求苛刻的应用所希望的，特别是在航空航天中，如2024、6061或7075这样的合金得到大量使用，但这些高强度合金的可焊性较差。甚至被认为是可焊接的航空级合金的6061，也不适合用于激光粉末床熔化的3D打印工艺。

由于LPBF-激光粉末床熔化金属3D打印技术在最基本的水平上属于类似于金属焊接过程，那如何处理难以焊接的材料呢？根据3D科学谷的了解，事实证明，“可焊接性”不是此处的主要标准，而是“自生焊接性”。

 焊接性与打印息息相关

“自生可焊性”听起来令人咋舌，但这实际上只是说合金无需填充材料即可焊接的一种方式。在正常的焊接应用中，这并不是什么大问题，但是LPBF打印机中的粉末床是单一材料，这意味着没有很好的方法将“填充剂”引入工艺中。因此，无法自动焊接的合金可能会出现问题，在许多情况下，这会在打印时表现出开裂的趋势。

铸造合金就派上了用场！铝3D打印的最初成功来自于AlSi12（一种硅含量为12％的合金）。对于铝合金而言，Si的含量相当高，但是Si在打印过程中用于增加熔池的流动性，并且还用于减少熔池固化时的收缩量。从这个意义上讲，硅越多越好！但是从零件的机械性能的角度来看，高硅含量不是一件好事。

那可否将铝合金中硅的比例从12％降低到10％，并添加镁以提高强度，这种情况下生成的是AlSi10Mg。

但是，即使添加了额外的镁，AlSi10Mg也不是最理想的组合，仍然不能满足最终应用的许多机械要求。这种3D打印合金往往具有较低的伸长率，这是非常重要的：伸长率越高，材料越坚硬。

 更强-更安全

大部分适合3D打印的铝合金材料最初是从A356铸造铝合金开发出来的，这是使用最广泛的铸造铝合金之一。它重量轻且极耐腐蚀。为了进一步提高机械性能，可以添加更多的镁，这会产生A357，这是一种强度更高的合金，可以对其进行热处理以获得更好的性能，但铸造起来却有些困难。

不过用于LPBF激光粉末床熔化确实颇为理想的选择，但有一个陷阱：A357还含有0.04至0.07％的铍-铍是对人类最具毒性的金属之一。特别是如果将其吸入，这可能在粉末处理和后处理过程中发生，所以这种材料不太适合AM金属增材制造 …

幸运的是，可以从合金中除去铍，其结果为F357。

F357重量轻，可焊接性强，可进行阳极氧化处理，具有高耐腐蚀性且可在很宽的温度范围内使用。根据3D科学谷的市场观察对于那些在许多航空航天和高端赛车运动应用中看到的具有薄壁，复杂结构的增材制造零件，它是极好的选择。

根据3D科学谷的市场观察，国际上，VELO3D在铝F357的3D打印方面获得了一系列的进展。

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一方面，VELO3D技术获得了F357零件更好的表面光洁度，尤其是在众所周知的那些低角度。F357零件适合高应力环境，并具有两个主要优点：更好的耐腐蚀性和更好的疲劳寿命。

VELO3D技术解决的另一个问题是避免热撕裂缺陷，因为F357的硅含量降低会在冷却时导致裂纹， VELO3D的参数集和高保真激光控件经过专门调整，可解决此潜在问题。

湿度是在使用铝材打印时可能会遇到的另一个问题。粉末通常“更粘”并且趋于结块，尤其是对于传统的重涂机系统而言。铝粉是极好的干燥剂，水分会立即吸附到颗粒表面。当构建室内的湿度上升时，铝粉可能难以散布，在这方面，根据3D科学谷的了解，VELO3D的非接触式涂布机避免了此类问题。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《铝金属3D打印白皮书》

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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明确的市场定位+明确的发展战略

 源于正确的市场定位

国际的企业大多在成立初期就确立了鲜明的市场定位，包括立足于设备稳定性的，包括开辟提升加工效率的，再到VELO3D这样的后起之秀，在3D科学谷看来，无支撑仅仅是VELO3D与用户沟通的话术，VELO3D的市场定位相当清晰：设计自由，敏捷生产和质量保证，这些是VELO3D通过技术打造的独特的市场定位。

Velo3D确立了其市场定位后，在多方面发力以打造技术、资本、市场等方面全方位的组合优势，根据3D科学谷的了解，Velo3D上市的途径是通过收购JAWS Spitfire公司，交易预计在2021年下半年完成后，合并后的公司将以Velo3D的名称在纽约证券交易所上市，股票代码为VLD。

此次交易对合并后的公司的市值约为16亿美元，每股PIPE认购价为10美元，并且假设JAWS Spitfire的公众股东均未行使其赎回权。Velo3D将从JAWS Spitfire的现金信托中获得高达3.45亿美元的收益，并以每股10美元的价格私募1.55亿美元的普通股。此次私募将由战略和机构投资者（包括Baron Capital Group和Hedosophia）领导。

交易完成后，Velo3D将受益于灵活的资本结构，该公司资产负债表上的现金大约为4.7亿美元，扣除债务，并且假定不进行赎回。

 战略实现融资与市场开拓的三级跳

充沛的现金流和未来更加方便的融资空间，意味着Velo3D可以进行大刀阔斧的技术创新和市场开拓。根据3D科学谷的市场观察，Velo3D成功地获得了制造业中技术要求最高的合同之一，即向世界上最成功的私人火箭公司之一的SpaceX公司提供3D打印机。Velo3D与SpaceX合作，引领着太空旅行，运输和能源的未来。从2014年至今短短成立6年多，成为主流航空航天业领导企业的供应商，Velo3D开辟了一条针对金属3D打印走向产业化的痛点来开发设备与软件解决方案的道路。

Velo 3D的无支撑3D打印技术

Velo3D的财务模型是轻资产的，拥有大量投资的支持，可以迅速扩展以满足发展需求。VELO3D的发展冲击的不仅仅是设备商的发展思路。根据3D科学谷的市场观察，在国内，所有的国际和国内品牌都面临着同样残酷的价格竞争，用户在决策采购3D打印设备的时候，往往忽略了功能实现才是自己最终所关注的用户价值所在，而是将设备商的硬件参数放在一起做比较，在看似“同样”的设备配置基础上，往往单纯的去压低设备商的价格。这是3D打印应用端需要警醒的一个误区，更稳定更智能的设备是创造产品的基础，忽略设备的软性条件，这未免也将用户自身的制造需求引入了另外一种误区，对用户的自身发展也是极为不利的。

 Velo 3D的CEO Benny Muller解释Velo 3D无支撑3D打印

根据3D科学谷的市场研究，VELO3D已获得40多项专利通过。其专利开发无不是围绕着原先3D打印应用中的市场痛点来进行的，拿VELO3D刚刚获得的专利技术关于气流的控制来说，VELO3D开发了一种机构，至少在过滤操作期间或从过滤机构拆卸过滤器的过程中保持过滤器周围的惰性内部气氛，以便于在3D打印期间，使气体携带的材料与循环气体中的连续气体连续分离。

自商业化以来，Velo3D吸引了令人印象深刻的客户群，展示了以前无法实现的设计可以通过Velo3D的技术实现生产，并获得具有成本竞争力和质量稳定性的关键平衡。Velo3D在成熟的和不断扩展的市场中具有强劲增长的有利条件。

Boom Supersonic和VELO3D于2019年宣布建立合作，以制造复杂的飞机硬件来组建XB-1，并在VELO3D的Sapphire系统上进行了一系列鉴定试验。打印的钛零件用于发动机硬件、环境控制系统和结构件。其几何设计特征包括具有高纵横比的高而薄的外壁，这些外壁本身难以通过传统工艺（例如焊接和铸造）或大多数现有的3D打印技术来制造。VELO3D独特的SupportFree打印工艺支持前所未有的设计自由度和质量控制，消除了飞机设计创新中的制造限制。

 挑战市场主导者地位

Velo3D准备商业化其最新的激光粉末床熔化（PBF-LB）设备Sapphire XC，预计在2021年第四季度发货。Sapphire XC被设计为对先前Sapphire机器的放大，并将支持零件的生产量是现有设备的五倍，成本却低三倍。

假设没有JAWS Spitfire的公开股东行使其赎回权，那么Velo3D的现有股东将拥有约72％的股份，JAWS Spitfire的现有股东和保荐人将拥有约21％的股份，而PIPE投资者将拥有约7％的已发行和已发行普通股。

该交易获得了两家公司董事会的一致批准，但仍需获得JAWS Spitfire股东的批准以及通过其他惯例成交条件。

 强势发展背后的软件逻辑

值得一提的是，Velo 3D的天使投资人是欧特克前CEO Carl Bass, 根据3D科学谷的市场观察，Carl Bass目前所支持的4家3D打印企业都极具特色和行业颠覆潜力。

其中一家来自美国加州的企业Arris Composites针对碳纤维复合材料3D打印产业化开辟了一条路径，在疫情期间逆市获得了4850万美金（约人民币3.4亿）的B轮融资，其目的是实现下一代大众市场的连续纤维复合材料3D打印生产级应用，而Arris Composites是在Carl Bass的个人车间孵化出来的。

另外一家则是突破了当前3D打印数据过大的痛点，来自西海岸的创业公司Dyndrite的用于增材制造的新3D几何内核使用原始的数学表示形式（B样条曲线，NURBS和B-rep数据）来提供更好的增材加工路径。通过不依赖STL这样的数百万个三角形来定义打印，Dyndrite的解决方案避免了“数据膨胀”，并可以提高打印零件的质量。这意味着通过消除需要修理STL的耗散动量的步骤，从而提高了可重复性并提高了生产速度。

再就是制造自主化，人工智能驱动的Oqton平台，Oqton在2021年初宣布完成逾4000万美元A轮融资。Oqton 平台独一无二地将制造进程中的多项关键工业运算能力集成于一个平台（包括计算机辅助设计CAD、产品生命周期管理PLM、计算机辅助制造数据准备CAM、物联网IoT、制造操作管理MES、质量管控QMS等），使用人工智能技术持续推动制造自动化进程。Oqton 平台的用户能够收集总结生产经验、减少重复性操作，远程使用、管理生产资料，同时利用实时运算的生产计划提高生产效率和质量。而值得一提的是Oqton 的研发中心之一位于中国上海，可以说Oqton 从诞生之日就具备了中国本土市场开拓的基因。

不难看出，Carl Bass所支持的4家3D打印企业都具备软件为核心竞争力的特征，且以驱动3D打印用于规模生产为发展思路导向。3D科学谷认为以科学的智能化解决方案替代以人类经验为基础的手动型解决方案，这是降低制造过程中痛点并降低产品成本的必然方向，方向正确是获取成功的关键之重。

在3D科学谷看来，未来已来，软件将统治整个3D打印和智能制造时代！

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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日本大阳日酸株式会社（TNSC）宣布将开设一个新的3D打印实验室，该实验室被称为“增材制造高级室”。该项目是日本跨国工业气体制造商的又一个项目，将增材制造（AM）引入其业务。

该实验室位于山梨实验室，将作为研究和开发3D打印技术的中心位置。该公司已经在其中安装了VELO3D的Sapphire系统，Optomec的LENS机和3DPro气体管理系统，它们依赖于TNSC自己的专有气体技术。

Velo3D的蓝宝石激光融合系统

TNSC是2019年收入约80亿美元的公司，是日本最大的工业气体生产商，也是全球五大工业气体供应商之一。这些产品的范围从氧气，氮气和氩气之类的气体到钢铁，电子，汽车，建筑，食品，化工和造船业的气体，再到管理这些气体的设备，例如净化设备，液氦空气分离设备等。它还提供用于商用车的液态石油，并生产热固性产品，例如不锈钢水瓶。

在新工厂投产的同时，TNSC表示，它认为AM技术是工业4.0发展的一项关键技术，这意味着该技术对于工业社会的可持续发展是必要的。金属AM已经成为该公司“Ortus Stage 2”中期管理计划的一个优先目标。

TNSC的增材制造高级室

作为工业气体制造商，该公司将自己定位为向工业3D打印机制造商和用户供应氩气和其他气体的参与者。因此，该公司已经与金属粉末制造领域的领先公司之一LPW建立了合作关系，而TNSC则成为了该公司的分销商。

此外，这家日本集团成为Optomec机器的转销商，凭借其对气体的了解，改善了该公司定向能量沉积的形式。TNSC继续与服务提供商Sintavia保持一致，以开发和商业化气流工艺。

这家日本集团与Sintavia以及众多其他公司（例如GE Additive，EOS，SLM Solutions，Materialize和Siemens）一起成为了3D打印制造商绿色贸易协会的联合创始人。AMGTA最近发布了第一份分析金属3D打印可持续性的报告，其中指出，尽管有许多细节尚不清楚，但金属增材制造系统的能耗通常高于传统制造工艺，但是这取决于零件的几何形状。

TNSC在贸易组织中的角色很有趣，因为作为液态石油的供应商，TNSC在工业社会的不可持续实践中扮演着自己的角色，而财团的其他成员（如经营石油和天然气部门的GE和西门子）也是如此。自然，如果我们想保持现有工业社会的风貌，那么3D打印的零件优化可能至关重要。但是，有人想知道是否要强调设计效率，尤其是在涉及天然气车辆或石油和天然气基础设施时，3D打印不会干扰实际需要进行的更改：减少总体生产和消耗，并转向可再生能源。

值得强调的是，三菱化学是TNSC的大股东，这使得这家日本制造业巨头在塑料3D打印材料(光聚合物和热塑性塑料)、定向能量沉积、通过TNSC产生的气体等方面进行了投资。

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VELO3D的市场定位相当清晰：设计自由，敏捷生产和质量保证，这些是VELO3D通过技术打造的独特的市场定位。本期，3D科学谷与谷友共同来领略，在质量保证这个点上，VELO3D是如何确立其竞争优势的，并探讨国内3D打印企业发展的破局思路。

要透视VELO3D的发展，我们不妨拿苹果公司在其iPhone手机上的创新来理解。苹果公司在推出iPhone手机之前，大家已经习惯带键盘的手机，似乎这是手机的标配。然而，苹果公司通过软件的方式在触摸屏上呈现了可以输入文字的键盘，从而简化了手机的外观，且实现了更友好的操作，从而开启了手机进入智能化的新篇章。

软件与软件之间存在竞争，硬件与硬件之间存在竞争，这似乎是每个人都知道的。然而，我们似乎从来没有意识到软件的进步可以部分替代硬件的配合这一发展趋势。某种意义上，软件可以实现跳跃硬件的束缚，释放更大的自由度。

产业化挑战

虽然3D打印-增材制造在批量生产方面的潜力巨大，然而现在的增长在很大程度上取决于定量质量测量和建立可靠的机器校准方法。如果无法在关键任务应用程序中或大中型订单充分理解和信任3D打印行为，那么即使增材制造的成本效益不断提高，这一技术也难以获得规模化应用。

一边是增材制造可以实现惊人的产品复杂性，并可以通过重塑设计来优化产品性能，这吸引着每一家致力于创新的企业投入其中；一边是困扰着业界的质量一致性问题，如何确保第一个产品和第100个产品是相同的？

 预构建校准

金属增材制造的预构建校准标准和方法正在不断发展。NASA、ASTM、SAE、AWS和API等都在不断完善其要求。不过设备从出厂安装调试完到使用一段时间后，其硬件条件本身也随着设备的使用发生了一定的变化。

在这方面，美国国家航空航天局（NASA）准则MFSC-SPEC-3717（于2017年编写）指出：“校准只有在连续维护时才有效，出于实用原因，在预构建的基础上确认校准是不可行的。校准间隔（至少每90天）被设置为生产效率和过程保证之间的折衷。”不过，从操作性角度来看，这一过程不仅所需时间长，较多依赖人工经验，且无法实现实时校准。

根据3D科学谷的观察，VELO3D 通过软件改变这一状况，VELO3D 在其金属3D打印系统中提供了预先构建的校准功能，可以简化并自动进行打印设备光学系统的原位校准。VELO3D 的技术可以实现在构建之前测量各种指标，包括光束稳定性、激光对准和聚焦等。增材制造的最终用户只需按一下按钮即可运行光学校准，而无需任何外部测量设备和复杂的人工手动校准过程。

3D打印的热交换器。来源：VELO3D

同样重要的是，这种自动化过程可以捕获大量使用手动校准方法无法获得的数据。这些数据用于实时更新系统的校准表，并确保已按照规格制造给定的组件，也可以随着时间的推移进行编译，用于统计过程控制程序和其他质量管理系统。

 加工中的质量控制

制造商已努力将摄像机和传感器放置在3D打印设备内部，以深入了解制造室内的实际情况，但是通常由用户自己来确定每个特定参数的阈值和控制极限。

以往虽然我们获取了很多数据，但是无法将这些数据建立为相互关联的数据集。理解数据的相关性，这是迈向更深入地了解如何构建高质量，可重复构建的第一步。

3D打印走向产业化的增材制造，必须取得更大的飞跃，并将数据科学与材料科学相结合，而不是依赖人类自身的经验和对加工过程的理解，将用户对制造过程的理解掩埋在数据中。

基于粉末床的金属3D打印过程中，光学对于金属粉末的微焊接工艺至关重要。现在，大多数工程师都熟悉每个层实际上都焊接在了下一层上。激光以极高的精度融化金属，上层与下层必须完美对准，并以正确的速度定向到正确的位置，以产生精确的厚度，从而形成高质量零件所必需的冶金工艺。

粗糙的表面和孔隙率可能是由于不良的工艺设计设置而导致的，也可能是由于光学设置较差而导致的。VELO3D面向下一代的增材制造系统可以在预构建阶段自动收集各种指标，从光束稳定性、激光对准、聚焦、惰性气体等。这样就可以建立控制极限，以指导系统性创建零件的各个方面。

激光的功率、设备温度、光束、惰性气体的变化等都对质量控制带来一定的挑战。然而，最新的质量控制系统不仅包括熔池计量，而且还包括高度图，该高度图根据床的位置对进行中的构建的每一层进行调查，并对标定和性能进行现场检查。所有这些数据都捕获在全面的构建报告中，以确保可追溯的质量。

VELO 3D的Assure™质量保证和控制系统具有直观的图表，使用户能够查看和解释在构建过程中收集的大量数据。根据VELO 3D，这些信息可帮助工程师验证构建过程中每个步骤的质量，并使其在出现问题时能够快速做出决策。确保可以帮助减少生产差异，提高产量并规避异常情况，以确保一致的增材制造结果。根据3D科学谷的了解，通过Assure系统监视3D打印构建过程的完整性，验证散装物料密度，观察正在进行的打印过程并验证跨多个生产运行的系统校准，Assure提供了产业化的基础。

根据3D科学谷的市场观察，国际上和国内，不仅仅是VELO3D，不同的设备厂商均推出了自己的过程中质量控制解决方案。虽然其质量控制软件的名称各有不同，然而在加工中的质量管理方面，普遍采用的核心解决方案来自Sigma Labs。

Sigma Labs的核心实力在于感应器硬件与数据和软件的融合。

硬件方面，Sigma Labs传感技术－Sensorpak，是一个由声、光、热传感器、收集过程数据的全套系统。传感器记录的数据将建立过程文件，其中西格玛实验室工程师通过在洛斯阿拉莫斯国家实验室多年来在冶金和焊接的研究经验，能够从大数据中提取关键的质量记录，并通过结果特征还原关键过程的物理特征。

软件方面，根据3D科学谷的了解，通过Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT ™软件，基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性，获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性，否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据，并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

 加工后的质量检测

零件的制造后检查已成为当务之急，例如通过染料渗透法测试、CT扫描或破坏性测试。尽管人们希望能够实现抽样检查，但是对于大多数当前的增材制造设备来说，全面检查是很普遍的做法。

根据高端装备发展研究中心，即使是X射线计算机断层扫描技术（CT），虽然非常适合评估部件的深层内部特征和属性，但仍有其局限性，即不能检测出垂直于x射线束的裂纹。然而NDE的方向是可行的，因为它优化了复杂增材制造部件的测试，并能实现标准化，同时由于其非入侵的方式，又具有潜在的成本效益与广泛的适用性。

3D科学谷Review

VELO3D在疫情期间完成了4000万美金的融资，作为一家来自美国西海岸的创业公司获得总计1.5亿美金（超过10亿人民币）的融资。此前，Velo3D成功地获得了制造业中技术要求最高的合同之一，即向世界上最成功的私人火箭公司之一的SpaceX公司提供3D打印机。随后，VELO3D宣布获得其航空航天领域的一家客户2000万美金（超过1.4亿人民币）的订单。

VELO3D近日还推出了配备了8个1000W激光器的新设备Sapphire XC，φ600mm x 550mm，打印每个零件的成本可以降低75％，效率增加了500％。根据3D科学谷的市场观察，这是针对目前市场上主流的对600mm加工尺寸的产业化生产需求所打造的一款设备。

在这方面，VELO3D是一家软件驱动硬件的企业。这也预示着在不久的未来，能够存活在市场上的3D打印企业所需要的硬核实力中，软件是其中重要的一块。

下一步，每一家制造业的硬件企业，都将转型为软件企业，否则在软件吞噬一切的未来世界，将寸步难行。

不仅仅是硬件厂商需要转型，应用端也需要更加成熟理性的用户。根据3D科学谷的市场观察，在国内，所有的国际和国内品牌都面临着同样残酷的价格竞争，用户在决策采购3D打印设备的时候，往往忽略了功能实现才是自己最终所关注的用户价值所在，而是将设备商的硬件参数放在一起做比较，在看似“同样”的设备配置基础上，往往单纯的去压低设备商的价格。这是3D打印应用端需要警醒的一个误区，更稳定更智能的设备是创造产品的基础，忽略设备的软性条件，这未免也将用户自身的制造需求引入了另外一种误区，对用户的自身发展也是极为不利的。

或许并非每一个3D打印企业都能够开发出类似于VELO3D这样的软件，这并非意味着国内的增材制造发展是充满悲观的前景，恰恰相反，在3D科学谷看来，国内的3D打印市场拥有其特别的机遇与前景。

首先，根据3D科学谷的市场观察，国际上正在出现更为通用的软件企业，为3D打印行业提供外部的支持。通过人工智能提供更可靠的过程控制，在这方面，包括以色列的printsyst，美国的addiguru，都是值得关注的企业。

其次，3D打印在各种不同领域的应用应该说是分层的，例如齿科、模具、医疗、航空航天、机械等不同领域对3D打印技术的要求是不一样的。在3D科学谷看来，中国的市场蕴含着巨大的机会，企业在发展的时候能够兼顾短期、中期的发展机会，懂得针对不同的市场需求并结合企业自身的资源与技术优势，进行适当的战略布局，是取得长足发展的关键。

最后，国内部分3D打印企业例如铂力特、先临三维，已经积累了一定的资源与影响力优势，在这个条件下寻求自主研发软件以及探索国际合作与收购之路，都具备了良好的基础。

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加州坎贝尔–(美国商业资讯)–数字制造的创新者VELO3D宣布，VELO3D的Sapphire 3D金属打印机为Boom Supersonic的XB-1飞机制造了21个硬件组件。Boom今天在其位于科罗拉多州森特尼尔的机库中为XB-1揭幕，标志着超音速旅行的商业可行性转折点，也展示了增材制造(AM)或3D打印在实现创新和加速产品开发中所表现出来的强大力量。

VELO3D首席执行官兼创始人Benny Buller表示：“由于在空气动力学设计方面必须同时满足卓越的耐用性和高温工作的挑战性要求，飞机硬件尤其难以通过3D金属打印的方式来制造。但VELO3D的技术能够生产轻薄、复杂的设计部件，满足最苛刻工作条件下的任务关键型应用要求。我们与Boom的合作伙伴关系是金属增材制造行业的一项真正进步，而XB-1超音速飞机则是航空工业的革命者。”

Boom Supersonic和VELO3D于2019年宣布建立合作，以制造复杂的飞机硬件来组建XB-1，并在VELO3D的Sapphire系统上进行了一系列鉴定试验。打印的钛零件用于发动机硬件、环境控制系统和结构件。其几何设计特征包括具有高纵横比的高而薄的外壁，这些外壁本身难以通过传统工艺（例如焊接和铸造）或大多数现有的3D打印技术来制造。VELO3D独特的SupportFree打印工艺支持前所未有的设计自由度和质量控制，消除了飞机设计创新中的制造限制。在此可了解与Boom Supersonic合作的更多信息。

Boom Supersonic XB-1生产负责人Mike Jagemann表示：“我们坚信超音速是飞行的未来，我们感谢VELO3D帮助我们通过XB-1实现了这一目标。”

XB-1是世界上第一个独立开发的超音速喷气飞机。它将用于验证Boom未来的商业客机Overture的关键技术，例如先进的碳纤维复合材料结构、计算机优化的高效空气动力学设计，和高效的超音速推进系统。XB-1是多年开发工作的最终产品，包括多次风洞试验，数十种结构测试，数百次仿真迭代，以及数万小时的工作。

来源：雪球

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粉末床激光熔化3D打印设备存在光斑尺寸漂移的可能，因此需要进行校准。但常见的激光校准流程较为繁琐，通常是需要每隔3到6个月通过外部引入校准技术人员，将3D打印机恢复到精确的工作状态。这一过程不仅所需时间长，较多依赖人工经验，且无法实现实时校准。

根据3D科学谷的市场观察，随着粉末床激光金属3D打印技术的发展，激光校准方式也在不断优化，比较明确的是，软件将替代人工经验在这一领域中发挥着关键作用。本期，3D科学谷将以智能熔化金属3D打印系统制造商VELO3D所采用的自动化校准技术为例，分析智能化校准技术在实现高质量3D打印中所发挥的作用。

VELO3D 金属3D打印技术的特点。来源：VELO3D

软件正在“吞噬”一切

基于L-PBF工艺的金属3D打印系统中，激光器是重要的光学器件。在这一工艺中，任何给定零件都可以有成千上万层，逐层进行金属粉末的熔化。由于激光对准有漂移的可能，尤其是在需要较长打印时间的情况下，零件被分为数千层逐层进行激光熔化，能够证明在第一层有效的校准，可能在打印到数千层时已经无效。这个问题在多激光器3D打印系统中更为复杂，各个激光器之间的校准也必须保持一致。

如果激光器没有以正确的功率对准正确的位置并以正确的速度移动，则可能会影响3D打印零件的质量。

在第一层甚至前100层的有效校准，会在第8000层以后失效。来源：VELO3D

金属增材制造行业特定的标准还相对不成熟，许多标准组织（ASTM，SAE，AWS，API等）正在开发或完善其文档。美国国家航空航天局（NASA）是最早于2017年10月发布此类准则的组织之一，其准则是L-PBF的增材制造航天硬件标准（MFSC-STD-3716）和随附的L-PBF工艺控制和鉴定规范（MFSC-SPEC-3717）。

根据MFSC-SPEC-3717，“校准只有在连续维护时才有效，而出于现实原因，在每次构建前进行激光3D打印设备的校准是不可行的。较长时间的校准间隔是在生产效率和质量保证之间做出折衷的结果。”这一信息反映出，无法在每次构建前进行校准，使制造商不得不在生产效率和质量保证之间做出选择。

MFSC-SPEC-3717指定了几个指标，包括激光聚焦和对准指标，规定必须至少每90天进行一次校准，以使增材制造过程保持合格，并将该设备所生产的3D打印零件标记为合格。NASA的增材制造航天硬件标准并没有说明如何校准这些指标，但承认：“将有目的的标记激光打成平坦的实心板并根据指标评估标记（基于过去的性能）可能会提供足够的扫描头健康状况的证据。”

尽管这是进行激光校准的标准做法，但这种校准方法不仅耗时，而且还存在很大的不一致风险，由于几乎是人工手动的方式在完成这一过程，其中存在着许多固有的可变性。例如，为了校准激光聚焦，许多设备制造商要求将阳极氧化铝板放入构建室中，并小心地将其在构建平面上设置为与要打印材料的位置相同的高度（单位为微米）。将线烧入板中，然后取出并进行测量确定哪个轨道的直径最小，从而指示激光的焦点。在激光对准的情况下，一般需要再次在铝板或热敏纸上燃烧一系列的线。得到的结果有时需要发送到第三方进行光学坐标测量机（CMM）分析，生成校准文件，并发回给现场的服务工程师进行安装。如遇到需要多次进行迭代的情况，将显著增加校准时间，这一过程不仅依赖人工经验，而且会增加非生产时间，影响生产效率。

图中两个长方体3D打印样件是通过2台激光器分为三段打印的，低端和上端部分采用同一台激光器，而中间段是另外一台激光器打印的。左方样件为不采用自动校准时产生的结果，中间部分出现了非常明显的偏移；右方样件为使用原位自动校准功能时所得到的结果，样件的上中下三段是一致的。来源：VELO3D

 自动化原位校准

根据3D科学谷的观察，VELO3D 通过软件改变这一状况，VELO3D 在其金属3D打印系统中提供了预先构建的校准功能，可以简化并自动进行打印设备光学系统的原位校准。VELO3D 的技术可以实现在构建之前测量各种指标，包括光束稳定性、激光对准和聚焦等。增材制造的最终用户只需按一下按钮即可运行光学校准，而无需任何外部测量设备和复杂的人工手动校准过程。

同样重要的是，这种自动化过程可以捕获大量使用手动校准方法无法获得的数据。这些数据用于实时更新系统的校准表，并确保已按照规格制造给定的组件，也可以随着时间的推移进行编译，用于统计过程控制程序和其他质量管理系统。

VELO3D 金属3D打印机上的校准仪表板。机器健康状况得到持续监控，以确保粉末床质量，传感器和光学元件均已正确校准并处于最佳状态，并且不会影响零件质量。来源：VELO3D

 精确的粉末层

除了L-PBF工艺中涉及的光学元件外，校准粉末床的质量也是影响3D打印零件质量的关键因素。粉末床的厚度和均匀度都必须精确，以确保激光适当地熔化每一层。如果粉末床太厚，则打印层可能无法完全熔化，从而导致熔合不足。如果太薄，金属可能会过热，甚至可能在熔池中蒸发。两种结果都会对所得零件的机械性能产生非常不利的影响。正确的校准对于提供精确的粉末层至关重要，如果光学器件也经过正确的校准，则粉末可以产生正确的焊接金属层。

与间隔90天需要进行光学校准不同的是，NASA 的增材制造航天硬件标准要求每180天校准一次粉末床质量。然而在任何给定的粉末涂覆过程中都可能出现错误，显然3D打印零件质量的控制无法依赖180天一次的粉末床校准。以往，很多3D打印系统通常没有定量方法来测量粉末床的质量和状态，而是采用对粉末床照片进行定性分析的方式，但这一方式无法提供出给定时间粉床本身状态的实际数据。

VELO3D 的金属增材制造系统进行检查，确保铺粉刮板在每次构建之前和构建过程中都能完成工作。此功能取决于高度映射器的度量系统，该系统实质上可测量粉末床拓扑，其z轴分辨率为15微米，x和y轴分辨率为100微米。这种真正定量的测量可确保由铺粉时输送的层在整个构建平面上的厚度和均匀性均在规格范围内。

构建进度屏幕显示与监视金属3D打印生成有关的重要统计信息摘要，包括进度和预估的完成时间、生成图像、生成ID和名称、平均吞吐量、中断、热图以及零件和生成属性。来源：VELO3D

3D科学谷Review

VELO3D的解决方案是集成计量系统，可测量关键过程变量，然后自动重新校准机器。校准程序测量机器工作范围包括校准49个点的精度和一致性。只需按一下按钮，操作员就可以随时运行它。VELO3D的Sapphire 3D打印机还可在每次构建之前自动检查耗材的级别或寿命 – 例如过滤器，筛子和粉末供应 – 并在机器监视器上显示相关信息。

在多激光3D打印系统中存在的另一个问题是不同激光头的相邻表面之间的缝合质量。激光必须完美对齐，以创建光滑，无缝的表面。3D科学谷了解到，即使是50微米的差异也是可辨别的，并且可能不利地影响零部件的结构完整性。

此外，随着构建方向沿着垂直的Z轴前进，XY轴对准可能会漂移，因此必须进行过程跟踪并进行校正以确保整个构建的对齐。如果没有过程跟踪，可能会在最终的零部件产生严重缺陷，从而导致需要返工或额外的后期处理。

VELO3D的传感器系统实时解决了这个问题，通过在构建的每一层的工件表面上大约500个点处的相邻激光点覆盖过程中的监视，当检测到未对准时，系统会在控制系统中自动调整。这是一种手段，不仅可以使单个零部件达到更高的精度和表面质量，而且可以在多个零部件的加工中提高质量稳定性。

VELO3D 采用的自动化校准所带来的明显好处是，在产品质量出现问题之前，识别出金属增材制造系统中的问题，从而进行纠正。从本质上讲，使用增材制造工艺创建的零部件通常是昂贵的，而越晚发现质量问题，金属增材制造的成本就越高。通过工艺仿真、质量监控软件等智能化手段尽早识别并纠正影响打印质量的因素非常重要。

除此之外，VELO3D 的技术所带来的一个附加的好处是在每次构建之前都会对增材制造系统的关键参数进行校准，这一过程中创建了大量数据，这些数据可用于开发过程中控制软件。通过在每次建立光学系统状态，粉末床质量和其他参数之前收集数据，可以查看系统随时间推移的运行情况，并通过观察在实际达到控制极限之前趋于不合规格的情况，来预测机器何时可能需要进行预防性维护。

当然，用于自动化校准的软件对于L-PBF 3D打印工艺最重要的意义还是在于提供更高质量的3D打印零件。NASA MFSC-STD-3716 标准中曾描述到：“在关键领域中使用粉末床激光熔化3D打印部件的最大潜在风险的局限性在于无法验证单个零件的完整性。” 而VELO3D 通过软件所实现的在每次构建之前进行校准的能力，则有助于解决这些问题，为其金属3D打印技术实现更广泛的生产级应用奠定基础。

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