增材制造技术之电子束选区熔化

作者:清华大学机械工程系 郭超,林峰 天津清研智束科技有限公司 张平平 文章来源:MM《现代制造》 发布时间:2017-06-07
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电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)是一种增材制造工艺,通过电子束扫描、熔化粉末材料,逐层沉积制造3D金属零件。

电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)是一种增材制造工艺,通过电子束扫描、熔化粉末材料,逐层沉积制造3D金属零件。由于电子束功率大、材料对电子束能量吸收率高,EBSM技术具有效率高、热应力小等特点,适用于钛合金、钛铝基合金等高性能金属材料的成型制造。EBSM技术在航空航天高性能复杂零部件的制造、个性化多孔结构医疗植入体制造方面具有宽广的应用前景。

增材制造是一种通过材料逐层积累的方法,将产品3D模型直接制造成实体产品的技术。相对于传统的减材制造(材料去除加工),增材制造无需模具,可直接进行数字化制造,且具有原材料浪费少、制造流程短、工艺简单、可成型复杂形状和梯度结构等特点,是一种具有革新意义的制造方法。目前,可用于直接制造金属零件的增材制造技术主要有选区激光熔化、激光近净成型、电子束选区熔化。

电子束选区熔化(EBSM)以电子束为热源,作用于预置粉末层使材料熔化或烧结,逐层制造3D金属零件。其工艺原理为预先在成型平台上铺展一层金属粉末,电子束在粉末层上进行扫描,选择性熔化粉末材料;上一层成型完成后,成型平台下降一个粉末层厚度的高度,然后铺粉、扫描、选择性熔化。如此反复,逐层沉积实现3D实体零件的成型。

对于高熔点的材料,增材制造需要依赖于高能量密度的热源。目前,用于增材制造的热源主要为激光和电子束。相对于使用较多的激光来说,电能转换为电子束的转换效率更高、反射小,材料对电子束能的吸收率更高。因此,电子束可以形成更高的熔池温度,成型一些高熔点材料甚至陶瓷。

EBSM工艺利用磁偏转线圈产生变化的磁场驱使电子束在粉末层快速移动、扫描。在熔化粉末层之前,电子束可以快速扫描、预热粉床,使温度均匀上升至较高温度(>700℃),减小热应力集中,降低制造过程中成型件翘曲变形的风险;成型件的残余应力更低,可以省去后续的热处理工序。

随着近年来EBSM工艺在医疗、航空航天等领域被广泛认可和应用,针对EBSM系统的开发应用也逐渐被国内外研究机构高度关注,目前已成功发出EBSM设备的主要有瑞典Arcam公司以及国内清华大学机械系。

瑞典Arcam是首家将EBSM成型系统商业化的公司。Arcam从2001年开始研究EBSM成型系统,2003年推出第一台EBSM设备EBM S12。随后又相继推出EBM A2、EBM A2XX、EBM Q10、Q20设备,并同时向用户提供Ti6Al4V、Ti6Al4V ELI、Ti Grade-2和ASTM F75 Co-Cr等4种标准配置的球形粉末材料。

清华大学机械系从2004年至今,对粉末铺设系统、电子束扫描控制系统等在内的EBSM成型系统展开深入研究,在国内率先取得EBSM设备专利,研制了具有自主知识产权的EBSM-150和EBSM-250实验系统。

EBSM应用的不断拓展对成型设备提出了更高的要求,未来EBSM成型系统的研发主要呈现以下趋势:

1.自动化与智能化。目前金属零件的EBSM制造、粉末的回收处理依赖专业技术人员操作,效率低。EBSM系统在整个流程的自动化与智能化有助于提高生产效率、降低增材制造成本。

2.大尺寸成型系统。由于电子束的束斑质量随着偏转角度的增加快速下降,因此EBSM的成型尺寸目前受到一定局限。可能的途径有为一个电子枪设置多个工位,让电子枪在多个工位间移动;或设置多个电子枪的阵列,通过扫描图案的拼接实现大尺寸的选区熔化。

3.与激光增材制造技术的复合。电子束与激光在金属增材制造中各有优点,前者效率高,后者具有更好的表面粗糙度。将两种热源复合,发挥各自优势,是一个值得探索的新方向。

在EBSM工艺中,预置的粉末层会在电子束的作用下溃散,即“吹粉”现象。“吹粉”的产生会导致成型件孔隙缺陷,甚至导致成型中断或失败。“吹粉”现象的原因一方面与粉末材料本身的性质有关,另一方面取决于扫描方法、气氛环境等工艺因素。降低粉末流动性、增加粉末材料的导电性可以减少“吹粉”发生风险。

在线监控工艺过程、避免内部缺陷是EBSM工艺研究的重要内容之一。由于真空内金属蒸汽、射线的存在,一般热像仪通过真空室壁上的玻璃窗口进行监控。金属蒸汽会在玻璃窗口上形成蒸镀层,影响热像仪等检测工具的工作,这是未来工艺监控研究需要加以解决的难题。

钛铝基合金,或称钛铝基金属间化合物,是一种新型轻质的高温结构材料,被认为是最有希望代替镍基高温合金的备用材料之一。研究表明,由于电子束的预热温度高,EBSM成型技术可以有效避免成型过程中的开裂,是具有良好前景的钛铝基合金先进制造技术之一。

钛合金具有良好的生物相容性,在医疗领域应用广泛。国内外学者通过对EBSM工艺成型的实体或多孔钛合金植入体的生物相容性、力学性能、耐蚀性等性能的大量研究证明利用EBSM工艺成型的钛合金植入体具有应用可行性。

EBSM不仅可以大大缩短成型时间、降低成本,还可以实现传统工艺难以实现或无法实现的复杂几何构造,因此EBSM系统被越来越多的航空航天企业应用。针对航空航天领域的高性能金属材料,EBSM技术具有效率高、成本低、成型性能好等特点,可以预见将来会在航空航天领域得到越来越多地应用。

增材制造作为一种高度个性化和数据驱动的制造技术,与“工业4.0”及“中国制造2025”的发展方向和价值模式十分契合,将在未来的制造业变革中占据重要位置。电子束选区熔化技术作为目前可用于直接制造金属零件的增材制造技术之一,在航空航天和医疗领域被广泛认可,拥有广阔的应用前景。

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