SLM金屬拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)+5軸非平面算法打造全新桌面FDM3D打印機！零件性能已逼近各向同性

AM易道設(shè)備分享

經(jīng)常玩FDM的朋友大概經(jīng)常被災(zāi)難性的各向異性，以及由此衍生的支撐結(jié)構(gòu)困境所折磨。

傳統(tǒng)3軸FFF那套基于笛卡爾坐標(biāo)系的逐層堆疊邏輯，決定了它打印出來的零件，層間鍵合強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于層內(nèi)強度。

這導(dǎo)致零件在Z軸方向上一掰就脆，根本無法承受復(fù)雜的多向載荷。

為了解決懸垂問題，我們又不得不忍受耗時、耗材且嚴(yán)重影響表面質(zhì)量的支撐結(jié)構(gòu)。

這些問題，是FDM技術(shù)從原型制造走向工業(yè)級終端應(yīng)用的巨大鴻溝。

過去我們分享過一些新的解決思路：

這個文章的相關(guān)團隊?wèi)?yīng)該算是這方面鼻祖了，未來AM易道還將對他們多軸打印更多精彩技術(shù)進(jìn)行解讀。

那個劍橋天才少年用的就是相關(guān)的多軸算法。

今天，我們聊的新案例，是類似的又一次嘗試和應(yīng)用。

主角是兩家英國公司：

硬件初創(chuàng)公司Generative Machine和軟件開發(fā)商Ai build。

他們最近宣布加強合作，要把一套AI驅(qū)動的5軸桌面FDM系統(tǒng)推向市場。

Aibuild的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運營官Michail Desyllas表示他們的目標(biāo)是將下一代硬件設(shè)計與智能軟件自動化相結(jié)合，去解鎖那些傳統(tǒng)桌面系統(tǒng)根本無法實現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀和多向制造。

遞歸的硬件：一臺用AI和金屬打印制造的打印機

我們先得搞明白，為什么5軸FDM對硬件的要求如此苛刻。

當(dāng)你的噴嘴和平臺開始在五個自由度上同時運動時，任何微小的震動、形變或累積誤差都會被無限放大。

傳統(tǒng)桌面打印機那種用鋁型材或鈑金拼湊的框架，根本無法提供所需的動態(tài)剛性。

Generative Machine的破局思路，體現(xiàn)在他們的Gen5X平臺上。

這家公司的核心哲學(xué)，是一種近乎遞歸的設(shè)計方法：

他們利用AI和Autodesk Fusion360的生成式設(shè)計（Generative Design）工具，來開發(fā)打印機自身的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。

他們輸入材料屬性、制造約束和性能要求，AI生成了多種設(shè)計方案。

最終，他們將原本需要多個子裝配體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，拓?fù)鋬?yōu)化整合為了僅僅4個核心結(jié)構(gòu)部件。

這種高度整合的設(shè)計，極大地提高了整個系統(tǒng)的剛性，同時減少了裝配和校準(zhǔn)的復(fù)雜性。

更關(guān)鍵的是這些部件的制造工藝。

Gen5X的拓?fù)鋬?yōu)化后的核心結(jié)構(gòu)件采用的是SLM/DMLS（直接金屬激光燒結(jié)）技術(shù)打印的鋁合金。

沒錯，他們用3D金屬打印技術(shù)，來打造一臺桌面FDM打印機的主框架。

除了AI+3D打印引發(fā)熱點關(guān)注之外，這個案例還代表了經(jīng)典的3D打印打印3D打印機的典型。

這確保了它在緊湊的尺寸下，具備了工業(yè)級的高剛性和精度，成為能夠可靠運行復(fù)雜5軸運動學(xué)的硬件基礎(chǔ)。

更有意思的是，Generative Machine還在Gen5X V1中繼承了RepRap運動的開源精神，旨在探索下一代能夠自我設(shè)計和自我復(fù)制的原型機。

他們甚至在試驗將攝影測量捕獲模塊（即3D掃描）嵌入平臺，未來可以實現(xiàn)自動化逆向工程、閉環(huán)質(zhì)量檢測，甚至是復(fù)制重印功能。

開源項目摘要

https://github.com/GenerativeMachine/Gen5X

項目團隊將所有設(shè)計文件都開放了出來，包括Fusion360的設(shè)計文件和STEP格式文件，任何人都可以下載、研究、改進(jìn)這個設(shè)計。

這種開放的態(tài)度正是推動3D打印技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵動力。

在我們看來，它代表著一種全新的制造哲學(xué)：機器的自主進(jìn)化。

當(dāng)打印機能夠自己設(shè)計零件時，每一次迭代都可能產(chǎn)生意想不到的創(chuàng)新。

工業(yè)級的大腦：當(dāng)軟件重新定義層

說回這臺新設(shè)備，如果說Gen5X是擁有工業(yè)級骨骼的運動員，那么Ai Build的軟件就是賦予它靈魂的AI大腦。

5軸FDM最大的技術(shù)難點，其實已經(jīng)從硬件轉(zhuǎn)向了軟件—你如何去規(guī)劃這個擁有5個自由度的工具路徑？

這早已不是傳統(tǒng)G-code(G1XYZ)的世界，而變成了復(fù)雜的6-DOF幾何優(yōu)化問題。

Aibuild平臺的的軟件棧源于對大型增材制造（LFAM）和工業(yè)機器人手臂的控制經(jīng)驗。

這套系統(tǒng)是硬件無關(guān)的（Hardware-agnostic），能控制從聚合物擠出到金屬DED的各種工藝。

我們過去看到大量的機械臂以及非平面3D打印都用了他家的算法：

Aibuild解決的核心問題是非平面切片（Non-PlanarSlicing）。

雖然都是非平面切片，我們其實還沒法理清AI Build和開始提到的曼徹斯特大學(xué)Dr. Charlie C.L. Wang團隊的算法以及我們之前分享過的ORNL的Slicer2算法的區(qū)別和對比，也請專業(yè)讀者向我們私信反饋他們的異同。

但根據(jù)此次發(fā)布的Ai Build的公開信息，簡單來敘述：

傳統(tǒng)的切片器是基于固定的Z軸高度平面來生成2D路徑；

而5軸切片必須生成適應(yīng)三維自由曲面的空間軌跡。

類似的算法，不再生成2D平面層，而是生成3D層。

從一個初始曲線開始，通過計算測地距離（Geodesic Distance）來逐步構(gòu)造后續(xù)的曲線偏移。

而在這些3D層的內(nèi)部填充上，也需要使用費馬螺旋（Fermat spiral）等連續(xù)曲線算法，以確保刀路的絕對連續(xù)性。

當(dāng)然，隨之而來的工程挑戰(zhàn)就是碰撞檢測（Collision Avoidance）。

在5軸運動中，擠出頭撞上零件的風(fēng)險呈指數(shù)級增加。

類似算法提供的正是這種AI驅(qū)動的自動化刀路生成和優(yōu)化功能，它能自動處理多軸運動的復(fù)雜協(xié)調(diào)、精度保證和自適應(yīng)控制，確保運動的絕對安全。

Generative Machine甚至在硬件中內(nèi)置了碰撞感知系統(tǒng)，為這種復(fù)雜路徑規(guī)劃提供了雙保險。

真正的飛躍：當(dāng)機械性能成為軟件的設(shè)計變量

當(dāng)硬件的剛性和軟件的智能路徑規(guī)劃都到位后，5軸FDM才真正顯露出它的顛覆性潛力。

Aibuild軟件提供了一個核心功能，叫做參數(shù)化切片策略。

這允許工程師對材料沉積路徑進(jìn)行高度精確的控制，實現(xiàn)共形結(jié)構(gòu)（Conformal Structure）的打印。

這樣一來，零件內(nèi)部的纖維流向不再是工藝的被動結(jié)果，而是軟件的直接設(shè)計變量。

工程師可以主動定義材料在零件內(nèi)的流動方向，確保高強度區(qū)域的纖維流向與預(yù)期的載荷方向精確對齊。

通過這種方式，5軸FDM能夠?qū)⒉牧侠w維流向與零件幾何體和預(yù)期載荷方向?qū)R。

我們在俄羅斯的方案也見過類似的表述：

這帶來的性能提升是明確的。

根據(jù)此發(fā)布相關(guān)的PR內(nèi)容表示，有研究表明，與傳統(tǒng)平面切片相比，多軸打印的曲線層零件，其抗拉強度提升幅度可達(dá)22%至167%。

這種巨大的強度增長，直擊了FDM技術(shù)的最大痛點之一。

它意味著5軸FDM正在極大地改善層間結(jié)合薄弱帶來的各項異性，并促使其機械性能趨于各向同性（Isotropic）。

對于功能性零件而言，可預(yù)測且一致的機械行為很重要。

同時，通過動態(tài)改變零件的有效構(gòu)建方向，5軸FDM可以大幅減少甚至消除懸垂，實現(xiàn)復(fù)雜幾何體的無支撐打印。

這個特點我們在曼大、ORNL和俄羅斯的方案里都能看到。

而共形材料沉積則徹底消除了曲面上的階梯效應(yīng)，帶來了極佳的表面光潔度。

一次實用主義的桌面工業(yè)化轉(zhuǎn)型

Generative Machine的CEO Ric Real曾表示，他們希望將機器人和LFAM中的先進(jìn)能力帶給桌面用戶。

而Aibuild的CEO Daghan Cam也認(rèn)為，這種軟硬件的集成，正在賦能新一代的創(chuàng)客和制造商。

它瞄準(zhǔn)的市場非常清晰：

通過結(jié)合5軸FDM硬件和自動化軟件棧，為行業(yè)帶來一個更強的桌面解決方案，用于生產(chǎn)那些具備接近應(yīng)用級表面質(zhì)量、且無需支撐的復(fù)雜組件。

據(jù)了解，這兩家公司將在即將到來的Formnext2025上進(jìn)行現(xiàn)場演示。屆時，我們或許能親眼見證，這場發(fā)生在桌面上的FDM新玩法將如何展開。

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