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金属3D打印,电子束有何“神通”?

字号+ 作者:王 来源:未知 2016-08-01 23:56 我要评论( )

导读:金属3D打印的发展速度远远超过行业的平均速度,正在成为全球3D打印市场发展的新驱动力。金属3D打印的器件以其优异的性能被工业界所青睐,在医疗、航天航空、汽车等领

导读:金属3D打印的发展速度远远超过行业的平均速度,正在成为全球3D打印市场发展的新驱动力。金属3D打印的器件以其优异的性能被工业界所青睐,在医疗、航天航空、汽车等领域得到广泛应用并且这一趋势在向更多的领域拓展。金属3D打印为何有如此价值?知其然、知其所以然,使金属3D打印为你所用。3D海豚邀请到郭超博士撰文,为大家解读金属3D打印的主要战将——电子束选区熔化。

金属3D打印,电子束有何“神通”?

 3D打印大军一路攻城拔寨,蜡、塑料、树脂等低熔点材料的3D打印技术逐渐成熟并进入商业化应用,高熔点的金属材料正在成为下一个规模化应用的热点。论知名度,激光选区熔化(SLM)技术当仁不让,该技术以激光为热源,通过逐层铺粉、熔化的方式构建三维实体。与激光选区熔化旗鼓相当但是在速度上更胜一筹的当属电子束选区熔化技术。笔者今天就详细介绍一下电子束选区熔化(EBM)技术。


电子束选区熔化
原理图

一、电子束的特点

激光束与电子束携带的能量以及能量吸收的方式不同:前者能量体现为高度平行的光子,后者则体现为速度约为光速一半的电子动能。光子穿透力小,在材料表面会被反射;电子则具有更强的穿透力,其穿透深度比光子大三个数量级,能量大部分被材料吸收。从功率上讲,在目前的EBM设备中,电子束功率3kW,并且3kW仅仅是入门级功率的电子束,要知道在电子束焊接领域,电子束功率达到数十千瓦并非难事。在SLM设备中,激光功率则一般不超过1kW。另外,电子束的偏转依靠磁场,瞬息万变的磁场可以让电子束的偏转速度高达数千米每秒,实现点到点的瞬间跳跃。如果把SLM和EBM分别比作两个武林高手,他们师出同门,武功招式路数几乎相同,不同的是手中的武器。如果说SLM使用的是灵巧精致的利剑,EBM则使用的是刚猛而又快如闪电的大刀。

硬币有两面,电子束功率大、偏转速度快,但其携带的电荷对成形过程有负面的影响。粉末材料的导电性能差,电子束携带的电荷如果没有被及时导走、积累在粉末中,会导致“吹粉”——即粉末在电荷斥力作用下四散飞扬。“吹粉”会造成成形过程的不稳定,需要极力避免。当然,道高一尺,魔高一丈,在避免“吹粉”的问题上,目前已经有行之有效的解决办法。

不过,电子束的“神通”也有一定局限,只能制造金属材料,在这方面就不如激光那样非金属、金属通吃了。

二、EBM的工艺流程分析

要明白EBM到底有哪些独到之处的“神通”,还得对其工艺流程进行仔细分析。

1、铺粉

EBM用的粉末粒径相对较粗,分布在45-105μm之间。粒径太细的粉末会增加“吹粉”的风险,粒径更粗的粉末反而更加适合EBM。而在SLM工艺中,太粗的粉末有不能熔透的风险。了解粉末材料价格的朋友知道,粉末粒径越细,往往价格越高。从这个角度讲,EBM的耗材更加经济

粉末层厚度也是一个关键因素,EBM的粉末层厚度在50-150μm之间,电子束穿透这个厚度的粉末层是不在话下的。笔者利用自主研发的EBM设备进行工艺实验时,甚至采用200μm的粉末层厚度,电子束仍然可以轻松获得高度致密的零件。铺粉厚度大,那么零件就可以在更短的时间内制造完成,因而更加高效。通常,EBM的效率是SLM的3倍以上。

2、加热粉末层

电子束加热粉末层

电子束多次地快速扫描粉末层,使其温度升高至粉末材料轻微烧结但又不至于被熔化。上图是拍摄的电子束加热粉末层的过程,由于电子束可以快速跳转,看起来有多条扫描线在加热粉床,这样可以让粉床的温度分布更加均匀。这是EBM特有的一个步骤,也起到了独特的效果:

a)  每一层粉末都会被加热,且电子束功率大,粉末床得以整体维持在一个较高的温度(可达1000℃以上)。因此,成形过程的热应力更小,变形开裂的风险低。这样一个高的粉床温度也发挥着原位热处理的作用,在制造零件的过程中顺带把热处理的活儿也干了,零件成形后无需后续的热处理。

b)  粉末被轻微烧结。就像下图那样,成形后的零件藏在烧结的粉床中,烧结的粉末可以被喷砂破碎后回收再利用。喷砂用的“砂”是相同的粉末材料。这些烧结的粉末可以及时导走电荷,避免“吹粉”的发生;同时,烧结的粉末起到了一定的支撑作用,因此EBM需要添加的支撑数量和密度更低,后期去除更加方便。对于网格结构,EBM可以完全不用支撑,但仍然保持很高的打印成功率。


打印完成的零件(粉末未回收)

 

3、熔化粉末层


电子束扫描熔化粉末(热像仪观测)

由于功率大,电子束熔化粉末材料时的扫描速度可以超过10m/s,可以快速地完全熔化零件的截面。不过,EBM成形的零件表面粗糙度大于SLM,主要有几方面的原因:电子束束斑直径大、所用的粉末材料粒径粗、铺粉层厚大、熔化区与粉末区的温度梯度小。3D打印金属零件的表面质量是一个重要的考虑因素,这就要看如何选择了。有得必有失,牺牲表面质量,换取更低的耗材价格、更快的制造效率也是选项之一。并且在医疗应用中,粗糙的表面可以使得骨科植入体更完美的生物固定,化劣势为优势。

分析完毕,简单粗暴地总结一下EBM的“绝招”,那就是:耗材更便宜、打印效率高、热应力小、打印成功率高、无需热处理

三、可打印哪些材料?

说了那么多好,小伙伴们就要问了,EBM都能打印什么金属材料?打印出来能用吗?这是一个很大的问题。笔者把已经商业化应用加上在国内外实验室成功打印的材料全部列出来如下:CoCrMo合金、纯铜、纯铁、316L不锈钢、H13工具钢、金属铌、镍基合金、纯钛、钛合金、TiAl基合金。就这么多?没错,相对于种类庞大的金属材料,EBM目前可用的金属材料还很少。这一方面与目前研究不够深入有关,另一方面则是基于成本的考虑:EBM针对的主要是高性能的金属材料,利用EBM可以达到传统工艺不能达到的效果;对于低端的普通金属材料,把材料制成粉末,再折腾一圈打印成零件,价格忒贵,实际市场价值有限。至于打印的零件性能如何,需要针对具体材料讲。笼统地讲,大部分EBM制造的零件性能均优于铸造水平,部分材料可以达到锻造水平。以Ti6Al4V钛合金为例,利用EBM的3D打印零件已经在医疗、航空航天领域的实际应用中崭露头角。


EBM制造的具有多孔表面的髋臼杯(图片来源:ARCAM

从材料的角度上讲,EBM还有一个绝招:一些高精尖的金属材料,脆性大,传统加工方法难以制造,EBM可以用3D打印解决制造难题。比如:TiAl基合金,这是一种常用于航空发动机的高温合金。再比如:一些不可焊接的镍基合金,如柱状合金Rene 142和单晶合金CMSX-4的制造问题也在国外实验室被EBM搞定。


EBM制造的TiAl基合金叶片(图片来源:ARCAM

EBM技术中一个不可忽视的现象是材料中低熔点元素的挥发。这是因为EBM中熔池温度高,熔化又在真空环境下进行,真空环境会加剧元素的挥发烧损。也就是说,成分组成为A的材料放进去,打印出来的成分组成可能就变成B了。这种变化可能是零件整体的成分变化,也可能是局部的成分变化。化学成分变化影响材料的微观组织,最终决定材料性能。不同的材料、不同的工艺参数导致不同的结果,就比较复杂了,这里点到为止。

四、EBM装备研发现状 

瑞典ARCAM AB公司于1997年率先将该技术商业化,目前已经推出多款商业化EBM装备,在全世界装机超过200套。 

清华大学在国内最先开展EBM装备研发,掌握铺粉、电子束精确扫描、成形控制等关键技术,自主研发了多套样机并在多家企事业单位得到了验证,目前正通过智束科技(www.qbeam-3d.com)公司进行商业化。

另据报道,日本一家名为“光电之魂”的公司号称开发出了下一代电子束设备,设备耐用度提升至现有的20倍,该公司正准备将其应用于金属3D打印,有望令金属3D打印更快更精确。

五、发展趋势

未来EBM装备研发的趋势,可能有以下几个方面:一是增加成形尺寸,目前EBM可打印的零件尺寸不超过350mm直径,金属3D打印将不断地突破尺寸限制;二是对不同粉末材料的兼容性,这种兼容性体现在材料的种类、粉末材料的粒径分布上,谁不希望自己购买的金属3D打印装备通吃各种材料?三是更高的自动化和智能化水平,世界上绝大部分机器都在追求更好的自动化和智能化,金属3D打印装备自然也在这条路上。 

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