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待实现的潜力:电子束粉末床熔合的故事与现状

待实现的潜力:电子束粉末床熔合的故事与现状

  • 分类:新闻中心
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  • 发布时间:2020-11-19 09:27
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【概要描述】

待实现的潜力:电子束粉末床熔合的故事与现状

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01

它是如何工作的,为何与众不同?

        PBF-EB是一种利用电子束辐照金属粉末并使其熔化的增材制造技术。首先,在基板上铺设一薄层金属粉末,电子束辐照整个粉末层,对粉末层进行加热。电子束的宽范围扫描辐照,可以将粉末加热到需要的温度。该温度取决于所成形的材料,对于Ti6Al4V该温度高达800℃左右,其他材料甚至需要更高的温度。粉末被预热后,电子束被电磁场偏转,将能量输入至粉末层,将粉末继续加热至熔点之上,选择性地熔合粉末层。 

    成形结束后,被加热但未熔化的粉末包裹在完全熔化的零件周围,形成一个烧结的蛋糕,需要在后处理步骤中去除并回收。该后处理步骤类似机械喷砂,蛋糕被打散成粉末。

PBF-EB机器的基本结构(智束科技供图)

 

PBF-EB设备

智束科技开发的大型PBF-EB设备,电子束功率6kW,采用单晶阴极,钛合金成形尺寸350*350*500 mm

 

        PBF-EB机器的基本结构包括电子束枪、引导电子束扫描所需形状的电磁线圈、内有铺粉机构的真空室。在成形过程中,成形室和电子束枪始终处于真空状态。

 

02

六大常见误解

    对PBF-LB的误解某种程度上抑制了这项技术的进步和潜力,因此,有必要厘清这些误解。

        1PBF-EBPBF-LB相似

    其唯一的共同点是粉末被高能束熔化。但是,需要认识到,其物理原理不同,成形机制有很大区别,最终的结果和性能也不同。PBF-EB是一项独立的技术,而不是简单的类比于PBF-LB技术。

        2PBF-EB只能打印有限的几种材料,主要是钛合金

        PBF-EB目前主要被用来打印钛合金,有其历史和商业原因。但是,没有任何因素限制PBF-EB用于与PBF-LB一样广泛的合金材料。如果有充分的开发平台,PBF-EB同样可以广泛地使用各种合金材料。

        3PBF-EB成形件的表面光洁度比PBF-LB零件要粗糙,并且不能打印细粉

    由于市售机器的配置,我们通常看到PBF-EB的成形件表面光洁度较粗糙。事实上,PBF-EB同样可以使用更细的粉末和更薄的层厚。研究人员已经证实,通过更精准的电子束控制,采用更细的粉末和更薄的层厚,PBF-EB成形件的表面光洁度可以显著提高。

        4PBF-EB仅适用于昂贵的专业球形粉末

    与PBF-LB一样,由于现有铺粉技术的限制,机器要求使用球性粉末。事实上,通过改进不规则粉末的铺粉方法,PBF-EB可以使用更便宜的不规则粉末。

        5、成形后冷却时间长,不够经济

    冷却只是整个成形过程的一步。事实上,如果考虑整体的生产能力,在大多数情况下,与PBF-LB相比,PBF-EB制造速度更高,足以弥补所需的冷却时间。

       6PBF-EB无法像PBF-LB一样制造大型零件

    我们看到,PBF-EB通常用来制造小尺寸零件。其实,扩大成形尺寸不存在技术障碍。尚未有大尺寸的PBF-EB设备面世,实际上是因为PBF-EB有更好的方式来提高产能。

 

03

PBF-EB的优势

        1、通过有限的支撑结构进行堆垛

    小型零件可以进行堆垛,无需添加PBF-LB中常见的密集的支撑结构。烧结的粉末蛋糕发挥了部分支撑作用。

髋关节植入物堆垛

每个零件之间紧密地堆放有烧结粉末,并且没有支撑结构。(智束科技供图)

 

        2、均匀的粉末熔化

    电子束比激光更深地穿透粉末材料,从而使粉末熔化更均匀。电子束还能够熔化高反光率材料,并且不会导致粉末颗粒的表面过热蒸发。

电子束(左)和激光(右)在Ti64粉末中进行能量转移的对比

 

        3、更宽的层厚范围

        PBF-EB具有很高的生产率,可适应较宽的层厚范围。可以根据具体的应用要求,灵活地调整效率和表面光洁度的平衡。

        4、真空环境

    熔化过程是在最干净和最安全的高真空环境中进行的。另外,真空可以隔热,有助于提高能源效率。

         5、量产的成本优势

    比起激光,电子束更容易、更低成本地增加功率。这使得PBF-EB在未来的超快增材制造中具有比PBF-LB更大的可扩展性,并可能在大批量应用中与传统的制造技术竞争。

        6、减少热应力

        PBF-EB是热粉床工艺,可在整个成形过程中保持高温,从而生产没有残余应力的零件。这消除或减少了对热处理的需求,大大节省了热处理时间和成本,并有助于更大的设计自由度。得益于PBF-EB的卓越的温度场控制,脆性和易裂性合金可以成功地进行增材制造,从而将增材制造的应用范围扩展到了任何其他工艺(包括PBF-LB)都无法制造的材料。

PBF-EB技术制造的用于GE9X发动机的钛铝合金涡轮叶片

 

PBF-EB技术制造的Vibenite 290材料刀具。Vibenite 290是一种FeCoW材料,兼具高耐磨性和耐热性。硬度约为72 HRCVBN Components AB

 

04

清粉和后处理

    如前所述,PBF-EB工艺允许使用有限数量的支撑结构来建造零件。零件成形结束并冷却后,在清粉站中通过喷砂工艺去除并回收烧结蛋糕中的未熔化粉末。喷砂介质就是粉末材料本身。结块的未熔化粉末可以完全重复使用。通过合适的工艺设计,喷砂清粉过程不会对部件的完整性产生不利影响,清粉效率也很高。但是,当结块的材料位于内部流道的情况下,会面临一定困难。

    在PBF-LB工艺中清粉更容易。由于粉末没有以任何方式粘结到零件的主体上,因此仅需要通过压缩空气就可以手动地去除粉末。也可以选择具备自动清粉功能的粉末清除站,将粉末从工具难以到达的地方倒出,得到带着支撑的、干净的、无粉末沾附的零件。
    在热等静压(HIP)后处理步骤中,PBF-EB工艺中形成的气孔均不含气体,可以在HIP步骤中不可逆地、永久性地封闭。在气体流场中进行成形的技术则相反:孔隙会不可避免地捕获气体,气孔难以通过HIP收缩。更麻烦的是,如果零件暴露在高温下,气孔可能会膨胀回原来的尺寸。

PBF-EBPBF-LB后处理比较

 

05

零件成本

    归根结底,用户希望能够以较低的成本生产零件。那么哪种技术提供了更好的选择呢?在进行比较时,我们测算总成本,包括前处理成本和后处理成本。Ampower进行了一项独立研究,并将结果发布在GE Additive白皮书中。其结论是,PBF-EB工艺的制造成本便宜50%”

    对PBF-EB的成本优势进行分析,主要体现在以下方面:

        1、由于简化了支撑结构,PBF-EB更加容易实现3D堆垛。

        2、粉末成本:PBF-EB的粉末价格更便宜(如钛合金)。

        3、热处理成本更低,甚至不需要进行热处理。

        4、与PBF-LB相比,去除支撑更简单。

    基于对市场上金属增材制造机器的广泛了解和分析,Ampower还发布了一个在线成本计算工具,可以估算所有先进的金属增材制造工艺的制造成本。利用该工具测算各种尺寸和数量的钛合金零件的制造成本,结果都指向PBF-EB更经济。

    未来,随着电子束功率的提高、成形尺寸的增加、材料研究的不断进展,PBF-EB的成本优势只会增加。

 

06

PBF-EB的未来在哪里?

    与其他增材制造工艺相比,PBF-EB目前的脚步更慢。但是,增材制造的广泛工业化应用是一场马拉松,远未结束。首先,将不会有单一的制胜技术,因为增材制造技术的应用场景千差万别。近年来,人们对电子束的兴趣激增,并考虑电子束是否可以在某些应用场合替代一直处于主导地位的激光。我们可以预期PBF-EB会出现许多积极的进展。

    越来越多的参与者正在加入并帮助PBF-EB进入其下一阶段的开发。业界对电子束的兴趣日益增长,不仅考虑该技术带来的更好的冶金性能,最重要的是,考虑是否能够比基于激光的工艺更加经济实惠。

    无论我们选择以哪种方式看待和描述PBF-EB的最新发展,毫无疑问,这是增材制造领域的一个有趣时期。我们将怀着热切的期待继续观看马拉松的下一阶段,这个行业还有很长的路要走。

 

作者:Joseph Kowen,行业分析师和顾问,自1999年以来一直从事快速原型设计和增材制造,增材制造咨询公司Intelligent AM负责人。

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