电子束3D打印技术现状及应用XXXX03

电子束3D打印技术现状及应用2014.03.31加工工材料广对焦方便扫描速度快能量密度高（光斑直径0.1μｍ)电子束快速成型的优点能量功率高（1-5千瓦）Arcam公司的电子束熔融（EBM）技术EBM技术由来自瑞士的ArcamAB公司研发，于SLS，SLM和DMLS技术不同的是，EBM不是用激光，而是采用电子束来完成对金属粉末的熔融。2013年3月，Arcam公司推出了Q10型3D打印机，是专门为其公司的假肢市场生产的机型，用来替换之前A1型。另外Arcam公司还有专门针对航空市场的A2系列机型。电子束熔融(EBM®)原理•电子束通过高温丝极释放•加速到光速的一半•电子束聚焦•磁场控制电子束的偏转•电子束轰击金属粉末,动能转化为热能•热能融化金属粉末•通过电流来控制电子束能量EBM特性•功率强大(4kW)，电子束作为热源，金属材料对其几乎没有反射，能量吸收率提高•高加工率，达到80-110cm3/h•电子束偏转不用移动部件•真空制造使产品具有高强度，在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大提高，增加了熔池之间、层与层之间的冶金结合强度。•可以熔化高熔点金属及合金，EBM设备可以融化熔点高达3400℃的材料•精度约为±200-400μmEBM特性•良好的热环境（＞800℃）保证了部件的形状稳定性和低残余应力。EBM能保持建造过程温度在退火温度，无需后热处理。DMLS的零件具有各向异性，需后热处理，以消除应力。•整体性能–100%致密度–好于铸件，部分指标超过锻件–粒径可控–高强度•快速、经济–快速的制造–高的能量利用率–金属粉末可循环使用EBM技术成型还存在如下问题•（1）需高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制；•（2）在真空室抽气过程中粉末容易被气流带走，造成系统污染；•（3）在电子束作用下，粉末容易溃散。因此，EBM技术需要将系统预热到＞800℃，使得粉末在成型室内预烧结固化在一起。•（4）高预热温度对系统整体结构提出非常高的要求。•（5）加工。机型—ArcamEBMS12加工尺寸200x200x180mm用于植入物生产,材料采用钛合金机型—ArcamQ10•用于植入物生产,材料采用钛合金•加工尺寸200x200x180mm•完整的EBM®技术,提供•高生产率•光滑表面•ArcamEBM®LayerQam™逐层质量验证•ArcamEBM®MultiBeam™多电子束技术机型—ArcamA1•用于植入物生产,材料采用钛合金和CoCr合金•加工尺寸200x200x180mm•完整的EBM®技术,提供•高生产率•光滑表面•ArcamEBM®MultiBeam™多电子束技术机型—ArcamA2•航空航天领域•两个可以互换的成形腔(高的和宽的)•加工尺寸•200x200x350mm•Ø300x200mm•ArcamEBM®MultiBeam™多电子束技术国际市场上售价：60万欧元机型—ArcamA2X•航空航天领域材料采用钛合金•加工尺寸•Ø350x380mm•ArcamEBM®MultiBeam™多电子束技术5材料••目前可用材料目前可用材料••Ti6Al4VTi6Al4V（（4545--100100微米）微米）••Ti6Al4VELITi6Al4VELI（（4545--100100微米）微米）••钛粉钛粉,Grade2,Grade2（（4545--100100微米）微米）••CoCr,ASTMF75CoCr,ASTMF75（（4545--100100微米）微米）••研发中的材料研发中的材料••InconellInconell––718,625718,625••Beryllium/Beryllium/AlBeMetAlBeMet••GRCopGRCop--8484、、TiAlTiAl••MMCMMC’’ss••StainlessSteelsStainlessSteels--316L,17316L,17--4PH4PH••GradientMaterialsGradientMaterials••AluminiumAluminiumAlloysAlloys应用通过CE和FDA认证的植入物EBM生产的多孔颅骨修复植入物已经植入人体（华盛顿瓦特李德空军医院）航天零部件清华大学电子束选区熔化技术•EBSM，利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，现在铺粉平台上铺设一层粉末并压实，然后，电子束在计算机的控制下按照设计进行有选择的熔化烧结，层层堆积。EBSM-250，价格150万人民币左右250×250×300mm3；美国MIT学院提出电子束实体自由制造技术（EBSFF）•电子束固定不动，工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，加工对象(金属丝)通过送丝机构被电子束熔化层层堆积而成。•好处之一是通过数控工作台提供的丝材比喷射出的金属粉末容易控制；•另一个好处是可以减少材料内部较大体积夹杂的存在，制造零件的内部品质得到了保证。电子束直接制造（电子束直接制造（ElectronBeamDirectManufacturing,EBDM)ElectronBeamDirectManufacturing,EBDM)技术技术EBDM技术是由美国SciakyIn.公司（美国PhillipsServiceIndustries的子公司）于2009年开发的一种新技术。与之前介绍的电子熔融术（EBM）不同，而Sciaky公司的技术独到之处则在于：它将打印材料直接送进打印头，用电子束在直接在机头熔融并打印材料。所以EBDM技术可以说是一滴一滴的打印金属物品的，其物品制作的精度和质量都非常高，更关键在于它基本不产生任何废料，节省了大量的原材料——考虑到金属的价格，这对降低成本有非常大的作用。sciaky电子束无模成形技术•电子束无模成形技术（EBF3）是一种采用电子束作为热源，利用离轴金属丝建造零件的工艺。2009年由美国NASA和Sciaky联合开发250万美元EBF3技术特点•EBF3工艺可替代锻造技术，大幅降低成本和缩短交付周期。•它不仅能用于低成本设计和制造飞机结构件，也为在国际空间站或月球或火星表面加工备用结构件和工具提供了一种便捷的途径。•EBF3技术可以直接成形铝、镍、钛、或不锈钢等金属材料，双枪头技术可将两种材料混合在一起，也可将一种材料嵌入另一种。EBF3技术特点•沉积速度：2000-4000cm3/h•制造精度：±1.27～2.54mm•表面粗糙度约为RA6.4•使用丝材，材料利用率100%；•加工尺寸：6X1.2X1.2m3•沉积速度：EBF3＞EBM＞DMLS•加工尺寸：EBF3＞EBM＞DMLS•表面光洁度：DMLS＞EBM＞EBF3DMLS和EBM发展相对成熟，已经有商业化的加工设备面市；DMD和EBF3也已进入工程化应用研究阶段。中航工业电子束熔丝沉积设备，实现大型钛合金结构件的批生产能力•利用电子束作为热源，熔化金属丝材，按照设计的路径逐层堆积，并与前一层形成冶金结合。（巩水利）电子束熔丝沉积成形技术特点•1、加工速度快，3500cm3/h;•2、适用于大型钛合金、铝合金结构件的制造和修复；•3、加工精度低，约±1.5mm;•4、结构复杂程度低的构件；TC4试样宏观形貌其他的高能速快速成型技术•激光熔覆制造技术（LENS）•选区激光熔化技术（SLM/DMLS）激光熔覆制造技术（LENS）•LENS技术原理：用高能激光来熔化粉末并将其注入一个熔池中，层层堆积进而建造或修复零件，成形件不需要或者只需少量加工即可使用。•已成功制造了316、304不锈钢，镍基高温合金，H13工具钢，Ti-6Al-4V钛合金以及镍铝金属间化合物等材料零件。Optomec公司的LENS850商业机昀大成形速度8.19cm3/h王华明“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”2012年国家技术发明奖一等奖开发了双相钛合金“特种热处理”新工艺，提出“热应力离散控制”新方法，制造出的大型整体钛合金飞机结构试验件。LENS优点1.LENS技术在加工异质材料(功能梯度材料、复合材料)方面的特有优势,采用LENS技术可以很容易地实现零件不同部位具有不同的成分和性能,不需反复成形和中间热处理等步骤。2.激光直接制造属于快速凝固过程,金属零件完全致密、组织细小,性能超过铸件。3.不需采用模具,使得制造成本降低15%～30%,生产周期节省45%～70%4.对采用LENS技术制成的试样进行疲劳测试,结果显示:其制成成形件的疲劳强度高于相应铸件以及锻件的疲劳强度。LENS缺点1.制件成形效率较低,其堆积速率较慢。2.成形件表面质量较为粗糙，一般不能直接使用,需要后加工来提高表面质量。3.整个过程需要惰性气体保护，而且使用的的是金属粉末，成本较高。选区激光熔化技术（SLM/DMLS）•SLM（SelectiveLaserMelting）技术是在SLS技术基础上发展起来的，与SLS方法的相同之处是，因控制热变形困难等限制而只适于成形复杂形状小型件；不同之处是将粉末烧结改良成粉末熔化，省去了SLS后续的渗金属环节，但需要热等静压处理。•SLM技术需要高功率密度激光器，光斑聚焦到几十μm到几百μm。SLM技术目前昀常使用光束模式优良的光纤激光器的激光功率在50W以上，功率密度达5×106W/cm2以上。SLM/DMLS特点•1)直接制成终端金属产品,省掉中间环节;•2)可得到冶金结合的金属实体,致密性接近100%;•3)SLM制造的工件有高的拉伸强度;•尺寸精度±0.1mm，粗糙度Rz30～50μm);•4)适合各种复杂形状的工件；•5）材料广泛，不锈钢、钛合金工具钢等。成熟的SLM厂家•德国EOS公司（EOSINGM270，DMLS技术）•德国MCP公司（Realizer系列，SLM技术）•德国Conceptlaser公司（MCusing系列，laserCusing技术）在致密度、精度与表面粗糙度等方面，EOS、MCP与Conceptlaser公司达到同一水平。•2004年，华南理工开发出了国内第一台选区激光熔化快速制造设备DiMetal-240，后续开发了DiMetal-280、Dimetal-100成型机。•昀大成型尺寸分别为100×100×100mm（Dimetal-100）；•昀小成型尺寸精度为50μm。总结对比谢谢！