播客:使用GE添加剂的X线进行大规模3D打印
假设你需要一个非常复杂的大部件。你最好的选择之一就是3D打印。Protolabs拥有世界上最大的3D打印机——GE Additive X Line系列。探索大幅面3D打印的历史，以及如何在这些机器上设计您的零件以获得最佳结果。嘉宾:Marques Franklin, GE增材客户成功技术客户经理。
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播客转录
史蒂夫·Konick:大家好，欢迎来到Digital Thread，这是Protolabs的播客，它着眼于制造技术和战略的新趋势，酷的产品和公司，这些公司正在用创新的想法推动边界，同时也会给你一些设计技巧，以改善你和制造商的合作方式。我是主持人Steve Konick，感谢收看我们的节目。有一个被滥用的短语，要么做大，要么回家当涉及到3D打印时，当你需要3D打印提供的各种复杂和有机几何形状时，你该怎么做，但你的零件必须非常巨大。在Protolabs，我们转向GE Additive XLine打印机。今天和我们一起讨论大规模3D打印的是Marques Franklin，他是我所见过的头衔最长的人，他是GE增材客户成功技术客户经理。它本身就是一个句子。欢迎来到Digital Thread, Marques。
品牌富兰克林:谢谢你，史蒂夫。我很感激。
史蒂夫·Konick:让我们从一点历史开始。增材制造最初是一种原型技术，但时代已经发生了变化，我们已经看到了从中小型零件到大型应用的转变，也看到了从原型到最终用途的转变。那么这是怎么发生的呢?
品牌富兰克林:就像你说的，塑料印刷早在20世纪80年代就出现了。在20世纪90年代中期，德国有一个叫做弗劳恩霍夫研究所的机构开始研究金属的熔化。所以这只是从原型发展到，你知道，在实验室工作，越来越多的公司试图把它变成一个生产类型的系统。所以在通用电气，我们认识到能够把由多个部分组成的复杂部件变成一个整体的重要性。例如，CFM燃料喷嘴是通用电气的第一个部件，我们从18个部件减少到一个部件。因此，它使我们能够得到复杂的形状，但也简化了几何形状和制造过程，以获得成本优势。
史蒂夫·Konick:你说最初是从塑料开始的，然后转移到金属，是什么促使人们决定，你知道吗，我们也许可以用金属来做这件事?
品牌富兰克林:你知道，我认为这就像任何事情一样，每个人都试图突破自己的极限。当人们看到塑料打印的所有优点时，他们说，好吧，伙计，如果我们能在金属上做这件事，那将把它带到一个新的水平。于是一颗明星诞生了。
史蒂夫·Konick:现在我们有塑料，我们有各种各样的金属。我们会稍微讲一下。XLine打印机的特点是幅面非常大。这些打印机到底有多大?我们说的是——你可以打印一个哈密瓜大小的零件，或者篮球大小的零件，或者像Yugo一样的零件，或者什么?你能从中得到什么?
品牌富兰克林:我们还没到Yugo的地步，还不能正确地看待问题。XLine上的建造平台长800毫米，深400毫米，高500毫米。粗略地说，你提到了篮球。想象你有两个并列的篮球，这是一个一般的参照系。
史蒂夫·Konick:这是巨大的，毫无疑问。这就是你要得到的零件的大小如果你想全力以赴，真正达到XLine打印机能为你做的极限。
品牌富兰克林:是的。
史蒂夫·Konick:当打印机创建一个零件时，它内部到底发生了什么?
品牌富兰克林:是的。首先，你有一个平板，材料和你要打印的东西相似。举个例子，如果你想用钴、铬或因康耐尔718打印，也许你有一个不锈钢板，它只是裸露的金属。好吧。这就是所谓的建造室。好的，在它旁边，你有一个装满粉末状物质的箱子我的意思是，它可以是任何地方想象它有点像面粉或糖。但这些粒子的大小，大概在15到63微米之间。接下来发生的是我们拿这个假设你想做一个咖啡杯，可以这么说，我们拿这个咖啡杯把它切成很多不同的层，就像一块面包。但是要垂直思考。好吧。 And so then what we do is on that bare plate, we take some of the powder from the—we call it the dosing chamber—spread it real thin over the plate. And then we take essentially the bottom of that coffee cup, that first slice of bread, that cross-section. And then we take these lasers and we just blast them powder until we melt it.
史蒂夫·Konick:(笑着说)太棒了!
品牌富兰克林:然后我们把这个腔室，向下移动一层厚度，把粉末腔室向上移动，在上面撒更多的粉末这就是第二个横截面。我们会用激光把它融化。我们一直这样做，直到我们到达部分的顶部。所以你的剂量室是空的因为你慢慢地把粉末移到了你的合成室。你已经熔化了你想要的形状，然后我们要用机器把所有的粉末吸出来。XLine的优点之一是整个粉末电路都封装在机器中。我的意思是，你有一个大筒仓，可以容纳数千磅的粉末。在建造的过程中，当你清空你的剂量室时，它实际上有一个特点，它会在你建造的过程中自动重新填充剂量室。这也是我们能够连续打印数天或数周的原因，因为机器一直在往里面添加粉末。
史蒂夫·Konick:什么能保证平台不会坍塌?你是如何做到这样的精度的?它只是移动了一层，一微米厚的东西，或者别的什么东西，以便能够附着下一层?
品牌富兰克林:这是机器内部工作的一部分。有一些特定的特征可以让我们一次移动几微米通过我们设计的一些结构，马达和升降机。在机器开发的质量检查过程中，我们会用激光和其他内部设备进行多次检查。所以我们很有信心当我们说移动50微米时，你移动了50微米。
史蒂夫·Konick:在生产大型零件的过程中有哪些固有的挑战?
品牌富兰克林:我们所看到的是有时大型部件非常复杂你必须考虑的一件事是支撑结构。例如，在那部分是否有悬垂，从底部开始可能很小，然后随着你向上移动而变得更宽，然后我们称之为z方向或高度方向。其他要考虑的是零件随时间的热位移。你知道，如果你要打印那么大的东西，你可能要打印好几个星期。有时，当你从一个小零件开始，你把所有的激光能量放入一个内置的平台，然后加热它。但是当你移动得越来越远的时候，这个平台会变冷，而在上面，你仍然在向这个部分输入激光能量。所以随着时间的推移，你必须考虑到翘曲的收缩。
史蒂夫·Konick:所以，3D打印是我们正在讨论的技术，但它也与其他技术竞争。你能拿什么与机械加工或铸造之类的东西作比较?从这个意义上说，3D打印有什么优势吗?
品牌富兰克林:是的。对于铸造，你需要考虑的一些事情是如果你有一个内表面和一个外表面你有一个模具在里面，你要如何把模具取出来?你知道，在减法制造中，你使用磨机去除材料，你知道，你并不总是有能力在复杂的路径上有内部通道之类的东西。所以这绝对是增材制造的优势。你还需要考虑的是，随着复杂性的增加，你知道，有时候你不能像减法生产那样快速地生产。所以它比减法更贵。但我们预计，随着我们在该领域开发出越来越多的创新，这些价格将会下降。我们将开始更快地打印，你知道，材料将会增长。这样我们就能进入越来越多的市场。所以在我看来，这只是时间问题。
史蒂夫·Konick:3D打印开始是一些爱好者尝试的东西，但似乎多年来它已经成为一个非常复杂的过程，它需要一些专门的制造培训。
品牌富兰克林:我认识一些刚进入这个行业的人，他们认为3D打印会比实际情况简单得多，但它就像制造业中的任何事情一样。如果你回到像铣床，你可以查找进给和速度为一定的铣床尺寸。这是常识了。现在在增材制造行业，我们的进给量和速度等同于激光功率以及激光在零件上移动的速度。还有很多问题有待确定。所以它不像你在家里的打印机，你把它连接到电脑上，然后按下打印键，你就得到了你想要的任何东西的二维表示。在创造新形状的过程中，有很多的发展、很多的思考、尝试和错误。现在，Protolabs的优势在于他们看到了各种不同的结构，所以他们知道什么是有效的，什么是无效的。所以我假设当他们看到不同客户的东西时，他们可以很容易地说，让我们稍微调整一下，也许你应该考虑这个或考虑那个。所以我确实看到了他们如何帮助那些有疯狂想法的人加速这个过程，他们只是想把自己变成一个3D的实际形状。
史蒂夫·Konick:所以从一个设计师的角度来看，这真的是一种灵活性，可以做任何你能想到的事情。这才是真正的优势。
品牌富兰克林:是的，我看到有人在一个球里印了一个球。当它让我想起我在大学的时候我用一个3D程序用电子创建了一个3D模型，我想，哦，因为我建模了，我可以做到。但在当时，没有办法创造出这种几何形状。当我把它拿到制造厂去做的时候，他们看着我，好像我疯了一样。但现在，你知道，这是完全可能的。所以你可以跳出思维定势。还是有限制的，对吧?因为你会想，好了，现在我有了这些粉末，我能把这些粉末都弄出来吗?但它确实改变了许多行业的游戏规则。
史蒂夫·Konick:从设计师或工程师的角度来看，当他们考虑使用3D打印时，他们在CAD模型中需要考虑哪些因素?
品牌富兰克林:很多都是形状之间的转换。例如，如果您直接在构建平台上构建，对吗?假设你要做一个简单的盒子，某些材料不喜欢尖角。当你考虑重量和部件的热应力时如果有一个尖角，那么这就是一个应力强化因子，它说，请在这里开裂。因此，与仅仅有一个尖角相反，也许你在那个角上画一个半径，把这个部分建得高一点，然后当你把它从平台上切下来的时候把它切下来。所以当你考虑悬挑的时候，假设你是45度的建筑现在你想把它弄平。那么问题来了，我需要支持还是不需要支持?我能告诉你的比率是多少，以尽量减少对支持的需求，这样我就不必担心以后我移除材料的时候?另一件我们过去在讨论支撑时看到的事情是当你从平台上切下一部分后你能完全移除它们吗?所以如果你从一个小的形状变成一个大的薄片中间有支撑，你有足够的摆动空间吗或者你能找到一个工具来移除支撑吗? So things like that.
史蒂夫·Konick:那么，如何在不损坏打印机的情况下将一个复杂的部件移除呢?电火花线切割是一个好的解决方案吗?
品牌富兰克林:现在发生的是，你把这个部分粘在一个板上，它在这个机器里。所以你要做的第一件事就是用吸尘器尽可能多地吸出所有的粉末然后你要用起重机把这个盘子从机器里抬出来。现在你要把这一部分从盘子里拿出来或者把这一部分从盘子里分开。现在，有些人可以让它支持这种分离，但你必须小心那些因为他们在建造过程中可能会有点喜怒无常。所以一个更简单的方法就是把它和盘子牢固地连接起来。但是现在要去除它，你必须把它切掉，所以我知道用线材电火花加工，它基本上是一根使用电流的细线。我相信这是最后一刻的事。就像，就像一把热刀。你把这个平台放在这个机器里，然后这条线沿着平台的长度向下延伸，直到这个部分完全分开。就像用热刀切黄油一样。
史蒂夫·Konick:好了。那么是否存在设计支撑结构的最佳方法呢?
品牌富兰克林:肯定的:支撑结构的间距，他们是否有足够的空间将部件固定在平台上?支架与实际部件的连接是什么?我想到了这个例子，我们有一台打印钛的机器，设计师并没有真正地将支撑与零件连接起来。所以我们看着它建立起来。我们看着它建成，我们太棒了!我们正在创造伟大!看看它，印刷品!然后突然在机器内部爆炸的火药到处都是。
史蒂夫·Konick:(笑)。
品牌富兰克林:就像勒布朗·詹姆斯拍拍手，粉末就会在空中散开。我们就像……
史蒂夫·Konick:完全正确。
马克斯·富兰克林:……这里到底发生了什么?我们回过头来，重新看了看视频，我们意识到，在那里，支撑着的人几乎是死路一条。我得到那个角色了!我得到那个角色了!然后那个角色说，不，你不需要。
史蒂夫·Konick:(笑着说)
品牌富兰克林:然后，让我们进去，把粉末撒在玻璃上，它破坏了这个部分，因为现在这个部分竖起来了。当重新涂漆的人经过时，它就像一列货运火车撞到了零件上。然后我们说，好吧，设计师，你得重新考虑一下。
史蒂夫·Konick:伙计，那一定很尴尬。(笑)好吧，让我们从一个使用XLine打印机的人的角度来看看这个过程。当你使用不同的材料时，你是否需要考虑一些事情?
品牌富兰克林:所以这个过程对所有材料来说都是差不多的，但是有些事情你必须要考虑。例如，使用铝，我们的激光器可以达到1000瓦。当熔化铝时，我们可以有一个激光功率的参数，大约是950瓦。现在你试着用950瓦的其他材料，比如钛，它燃烧起来非常明亮，非常热。最后可能会出现气孔问题之类的问题。GE Additive和Protolabs所做的一件事就是为每种材料制定特定的参数。他们希望激光移动多快?当他们建造时，当他们看到激光从零件的一边移动到另一边时，他们需要多少激光功率?他们想要在激光通道之间有多大的空间，或者受其影响的是零件的孔隙度。所以会发生的是，你会在部分中得到孔隙，这将影响你的拉伸性能或你的物理性能。 And so the parameters that are developed are converted into physical characteristics of the parts that are created. And so a lot of those require a lot of time in study in order to determine what is the correct recipe for a given material.
史蒂夫·Konick:金属3D打印是否有一个特定的市场?我的意思是，是什么促使人们转向金属?
品牌富兰克林:例如，医疗保健。有一些公司打印头骨碎片，比如说你在车祸中头骨骨折了，你需要一个头骨板。从历史上看，你会得到一些钛，然后把它做成圆形，有点像头骨，现在我们可以根据人的头骨定制碎片，这样更适合人。我看到一些公司对臀部做了同样的事情，这使得它更容易被身体的几何形状所接受，可以这么说，接受这样的事情。我们谈到了航空工业的燃油喷嘴。汽车工业正在研究热交换器和几何形状，通过使用复杂的形状来加速他们使用的任何流体的热去除。因此，各种各样的行业都在推动使用这项技术。
史蒂夫·Konick:我们现在用Inconel 718 3d打印零件，当我们添加另一台XLine 2000R机器时，我们可能也会转向不锈钢或铝。那么，这些材料在工业中的作用是什么呢?
品牌富兰克林:所以我知道有很多，比方说，航空公司使用不锈钢部件来制造太空部件。我知道有些汽车公司用铝来制造汽车零件。这是我能想到的铝和不锈钢最大的两个。
史蒂夫·Konick:现在，我知道我们有一个伙伴关系，Protolabs和GE你能告诉我们一些关于这个伙伴关系吗?
品牌富兰克林:我们一直在和Protolabs合作，他们几年来一直是我们机器的粉丝，我去过他们在达勒姆的一家商店，他们实际上是GE添加剂机器的最大用户之一。所以走到那个商店，你知道，就像，哦，我们必须在这里做些什么。他们一直在购买我们的机器，从M2s到MLabs再到现在的XLines，我们很高兴把它们卖给他们。与此同时，你知道，当我们的客户在开发零件方面遇到困难时，我们就会利用Protolabs。所以我们找到Protolabs说，嘿，你们能为我们的客户制造这个零件吗?他们说，是的，我们可以这样做。所以他们介入并帮助我们，就像我们帮助他们一样。所以在我看来，这已经发展成了一种合作关系。
史蒂夫·Konick:所以我想最后一个问题是:马奎斯，通用电气添加剂公司现在会发生什么?人们想了解更多的是什么?
品牌富兰克林:每个人都想要更大、更快。我想在任何给定的时间内打印或融化更多的体积。所以几年前我们宣布了我们开发的阿特拉斯机器，它将是一米乘一米乘一米的。我们正在深入研究粘合剂喷射领域，这可能是另一天的播客，你基本上拿一种材料，然后在它上面喷上粘合剂，这比激光打印工业快得多。但这也有一些警告。例如，现在你处于一个绿色状态，你必须把零件放在烤箱里烧结出所有的粘合剂等等。因此，我们正在积极地进入这些市场，使金属打印更快地为世界服务，为所有那些有创造力的天才提供他们能想到的任何东西。
史蒂夫·Konick:非常酷。嘿，马奎斯，再次感谢你参加我们的“数字话题”节目。
品牌富兰克林:这是我的荣幸。谢谢你，史蒂夫。
史蒂夫·Konick:这就是本期的The Digital Thread，我要感谢我们的嘉宾，来自GE Additive的Marques Franklin与我们共度时光。不要忘记通过我们的主机网站Apple, b谷歌或Spotify订阅未来的Digital Thread播客，或者您可以在我们的网站上收听。数码线由Protolabs生产，该公司是一家国际制造公司，在北美、欧洲和日本设有办事处。