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在金属3D打印领域，以粘结剂喷射和材料挤出工艺为代表的间接金属3D打印技术获得了业界的关注。这两种间接金属3D打印工艺都是首先打印出金属零件生胚，然后再经过脱脂烧结过程制造成金属零件。间接3D打印与粉末床直接金属3D打印工艺的区别在于，3D打印过程中不存在高温处理，热过程被转移到了烧结步骤，在烧结过程中如何控制热梯度和应力导致的部件翘曲和损坏仍是间接金属3D打印技术存在的挑战之一。

2016年Markforged 公司推出了基于材料挤出工艺的金属3D打印设备，不过这项技术用于打印金属丝材的时候有一个业界公认的痛点那就是变形与收缩的控制挑战。Markforged 针对这一痛点进行了研发投入。根据3D科学谷的市场观察，Markforged 在年底前将要推出的人工智能软件-Blacksmith，是该公司在变形与收缩的控制领域所取得的新成果。本期，3D科学谷就与谷友共同了解一下这款软件所起到的作用。

“Blacksmith”软件试图通过将其打印机连接到计量设备（此处用来扫描12毫米扳手）来了解和纠正在烧结过程中经常发生的零件几何形状变化。

由算法驱动复杂迭代过程

纠正烧结中发生的几何形状变化

Markforged 的“Blacksmith”软件为自适应制造的人工智能驱动软件解决方案，该过程需要适应影响零件的设计、打印和后处理每个步骤中存在的多个变量，这些变量都会影响3D打印。

“Blacksmith”软件通过将Markforged的3D打印机连接到计量设备（如上图，扫描的是12毫米的扳手）来了解和纠正在烧结过程中经常发生的零件几何形状变化。

当3D扫描将数据点映射到零件的原始CAD或STL文件时，两者之间的偏差通常需要返回到原始文件进行调整。如果这项工作由人工来完成，则是一项耗时且不精确的方式。而“Blacksmith”软件的方式是在人工智能算法、设计工具和3D扫描数据之间建立循环，随着时间和打印量的增加，将增强公司整个打印机的基础能力。也就是说，凭借人工智能强大的学习能力，当同样的零件或类似几何形状的零件被打印上百次后，一次打印就成功的可能性会更高。

当3D打印设备出现偏差或者整个过程中出现变量，系统可以发出警告或实时进行自我纠正。Markforged 3D打印机使用连接到每台机器的打印头的激光扫描仪来同时创建和检查零件，然后将数据反馈到云中。随着越来越多的计算机将反馈共享到云中，这些数据将使自校正功能变得更快更准。

软件中使用了预失真几何的算法，考虑了预期的变形并抵消了变形，以产生预期的零件。

学习零件基本几何形状

Markforged 的金属3D打印技术为一种间接金属增材制造工艺，即首先3D打印零件的生胚，生胚制造材料为一种将金属颗粒与塑料基质混合在一起的金属丝。打印完成后，零件被放入溶剂中，除去第一阶段的粘结材料，然后再放入烧结炉将残留粘结材料烧掉，并将金属颗粒融合在一起。从最初的设计文件到最终的金属零件，这一过程中零件有很多机会因变形而偏离其原始设计。材料、加工温度和大气成分以复杂的方式相互作用，Markforged试图对此进行理解和控制。

“Blacksmith”软件将设计文件上传到云中进行切片，然后，系统将文件发送到由一组连接的3D打印机共享的反馈循环中，随着时间的推移提高每台机器的零件精度。总体来说，该软件是Markforged公司努力理解和控制其基于材料挤出工艺的间接金属增材制造端到端过程的结果。

在以上扳手的案例中，扫描零件时，扳手孔的直径可以完美地插入，但是可能会有一些轻微的变形，软件可以识别这些特征，将它们与点云进行比较，并识别出任何差异。将生胚零件从烧结炉中取出后，用户可以扫描这些零件的几何形状，并将其发送回“Blacksmith”软件，并在输入文件和点云之间，比较扫描产生的结果。该软件的目的是确定3D打印或烧结过程的哪些方面可能导致变形，然后创建一个纠正这些变形的新模型。

“Blacksmith”软件的成功将取决于其学习基本零件几何形状的能力。在这一软件的逻辑中，每种设计都是几何成分的非线性组合。还是以扳手为例，网格文件未描绘扳手，而是描绘了在较大几何图中彼此相对定位的一系列孔、边、角和形状。例如，一个简单的零件由一个圆柱体和一个立方体组成，它们组合成一个新的形状。“Blacksmith”软件正在学习打印立方体的含义，打印圆柱体的含义以及这些形状在上下文中的含义。总之，其目标是是利用从这些几何学中学到的一切，使零件以及类似零件在首次打印时就获得成功。

Markforged 针对间接金属3D打印工艺中存在的变形与收缩挑战所提出的解决方案不仅仅是软件。根据3D科学谷的市场研究，Markforged申请了专利，通过将粘结剂、陶瓷材料作为分离层与支撑层一起打印完成，使得金属3D打印所获得的生坯具有更好的防止变形与热收缩控制能力。有关这一控制方式的研究请前往《减少3D打印后烧结变形， 看陶瓷材料如何应用于挤出式金属打印》。