金屬3D打印技術及其專用粉末的研究進展(4)
時間：2017-02-11 22:19 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
2.3 電子束選區(qū)熔化技術( EBSM)
EBSM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進行，且電子束具有的真空環(huán)境，還可以避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化。鑒于電子束具有的上述優(yōu)點，瑞典 Arcam公司、清華大學、美國麻省理工學院和美國 NASA 的Langley 研究中心，均開發(fā)出了各自的電子束快速制造系統(tǒng) ，前兩家利用電子束熔化鋪在工作臺面上的金屬粉末，與激光選區(qū)燒結(jié)技術類似；后兩家利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作臺移動，與激光凈成形制造技術類似。
EBSM技術是20世紀90年代中期發(fā)展起來的一種金屬零3D打印技術，其與SLM/DMLS系統(tǒng)的差別主要是熱源不同，在成型原理上基本相似。與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術相比，EBSM 工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點。在目前3D打印技術的數(shù)十種方法中，EBSM技術因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關注。
國外對EBM工藝理論研究相對較早，瑞典的Arcam AB公司研發(fā)了商品化的EBSM設備EBM S12系列，而國內(nèi)對EBSM工藝的研究相對較晚。Heinl等采用Ti6-Al4-V、Ramirez采用Cu、Murr采用Ni基和Co基高溫合金、Hernandez等人采用TiAl制備了一系列的開放式蜂巢結(jié)構(gòu)。通過改變預設置彈性模量E，可以獲得大小不同的孔隙，降低結(jié)構(gòu)的密度，獲得輕量化的結(jié)構(gòu)。K.N.Amato等人利用Co基高溫合金矩陣顆粒制備了柱狀碳化物沉積結(jié)構(gòu)。
Ramirez等采用Cu2O制備了新型定向微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在制備過程中，柱狀Cu2O沉淀在高純銅中這一現(xiàn)象。劉海濤等研究了工藝參數(shù)對電子束選區(qū)熔化工藝過程的影響，結(jié)果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度呈明顯的線性關系，通過調(diào)節(jié)搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層面質(zhì)量。鎖紅波等研究了EBSM制備的Ti-6Al-4V試件的硬度和拉伸強度等力學性能，結(jié)果表明成型過程中Al元素損失明顯，低的氧氣含量及Al含量有利 于塑性提高；硬度在同一層面內(nèi)和沿熔積高 度方向沒有明顯差別，均高于退火軋制板的硬度水平。 利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實； 然后，電子束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的熔化/燒結(jié)，層層堆積，直至整個零件全部熔化/燒結(jié)完成。
EBSM 技術主要有送粉、 鋪粉、 熔化 等工藝步驟，因此，在其真空室應具備鋪送粉機構(gòu)、粉末回收箱及成形平臺。同時，還應包括電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)包括掃描控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)，如圖 3 所示。 瑞典 Arcam 公司制造生產(chǎn)的 S12 設備是電子束選區(qū)熔化技術在實際應用中的最好實例。該公司在 2003 年就開始研究該項技術，并與多種領域結(jié)合探究。目前，EBSM技術在生物醫(yī)學中得到了大量應用，相關單位正積極研究它在航空航天領域中的應用，美國在空間飛行器方面的研究重點是飛行器和火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)制造以及月球或空間站環(huán)境下的金屬直接成形制造。
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