3D打印技术之电子束熔融成型技术(EBM技术)

发布时间:2021-12-27浏览次数:334

1994年瑞典 ARCAM 公司申请的一份专利,所开发的技术称为电子束熔化成形技术(Electron Beam Melting),ARCAM公司也是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司,并于2003 年推出第一代设备,此后美国麻省理工学院、美国航空航天局、北京航空制造工程研究所和我国清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统。美国麻省理工学院开发的电子束实体自由成形技术( Electron Beam Solid Freeform Fabrication,EBSFF)。EBSFF 技术采用送丝方式供给成形材料前两种利用电子束熔化金属丝材,电子束固定不动,金属丝材通过送丝装置和工作台移动,与激光近形制造技术类似,电子束熔丝沉积快速制造时,影响因素较多,如电子束流、加速电压、聚焦电流、偏摆扫描、工作距离、工件运动速度、送丝速度、送丝方位、送丝角度、丝端距工件的高度、丝材伸出长度等。这些因素共同作用影响熔积体截面几何参量,确区分单一因素的作用十分困难;瑞典 ARCAM 公司与清华大学电子束开发的选区熔化(EBSM)利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末,与激光选区熔化技术类似,利用电子束实时偏转实现熔化成形,该技术不需要二维运动部件,可以实现金属粉末的快速扫描成形。

EBM电子束熔融技术原理:
电子束熔融技术(Electron Beam Melting)是近年来一种新兴的先进金属快速成型制造技术,经过密集的深度研发,现已广泛应用于快速原型制作、快速制造、工装和生物医学工程等领域。其原理是将零件的三维实体模型数据导入EBM设备,然后在EBM设备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层,利用高能电子束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温,导致金属微粒熔融,电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固,连接形成线状和面状金属层。

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因具有直接加工复杂几何形状的能力,EBM工艺非常适于小批量复杂零件的直接量产。该工艺使零件定制化成为可能,而且为CAD to metal 工艺优化的零件,可以获得用其它制造技术无法形成的几何形状,因此,零件将因无与伦比的性能而对客户体现其价值。该工艺直接使用CAD数据,一步到位,所以速度很快。设计师从完成设计开始,在24小时内即可获得全部功能细节。与砂模铸造或熔模精密铸造相比,使用该工艺,交货期将被显著缩短。

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技术特点:
优势:
1. 具有直接加工复杂几何形状的能力,如空腔、网格结构等,近净成型,尺寸精度达到±0.2mm;
2. 在窄光束上达到高功率的能力,成型效率较高,达到55~80 cm3/hr,与砂模铸造或熔模精密铸造相比,显著缩短生产周期;
3. 真空熔炼排除了杂质(如氧化物和氮化物),保证材料的高强度;
4. 能熔炼难熔金属,并且可以将不同的金属熔合;
5. 成型环境温度高(700℃以上),零件残余应力小;
6. 成型过后的剩余粉末可以回收再利用。

不足:
1. 成型设备需另配备抽真空系统,而且需要维护,增加了成本;
2. 打印过程会产生X射线(合理设计真空腔可以有效屏蔽射线)

EBM技术采用金属粉末为原材料,其应用范围相当广泛,尤其在难熔、难加工材料方面有突出用途,包括钛合金、钛基金属间化合物、不锈钢、钴铬合金、镍合金等,其制品能实现高度复杂性并达到较高的力学性能。此技术可用于航空飞行器及发动机多联叶片、机匣、散热器、支座、吊耳等结构的制造。

应用案例:

意大利Avio公司采用瑞典Arcam公司所生产的电子束熔化装备(EBM)生产了TiAl低压涡轮叶片。德国MTU航空发动机公司,除了将LSF技术应用于航空发动机零部件的修复之外,近期也开始测试采用SLM技术直接制造的航空发动机小型压气机静子件。罗尔斯?罗伊斯航空发动机公司同样也在考虑将金属直接增材制造技术应用于其先进航空发动机的轻量化构件的直接制造。普惠公司(Pratt&Whitney)则依托MTU航空发动机公司,也在开展SLM技术直接制造PurePower PW1100G-JM 航空发动机零部件的测试工作。

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Avio公司是GE航空的一部分,他们开发了新的金属3D打印技术用于制造新的LEAP发动机。这种工艺制造的喷气式发动机的的涡轮叶片,新的电子束比传统的激光烧结强大十倍,一次加工成型的金属钛厚度提高了4倍。生产效率得到了极大的提高。现在生产一个8叶的涡轮叶片只需要7个小时,每年可以节约160万美元能源成本。

目前,美国GE公司已拥有各类金属直接增材制造装备300多台套,在航空发动机金属零件的直接增材制造方面已走在国际前列。近期,美国GE公司基于其航空发动机高端零件直接制造的需求,通过收购美国Morris公司和意大利Avio公司,重点开展了航空发动机零件的SLM和EBM制造研究和相关测试。美国Morris公司采用SLM技术生产了大量的航空发动机零件,如图3所示,已经拥有超过20台最先进的SLM设备。2013年底,GE公司宣布,将采用SLM技术为其下一代的GE Leap发动机生产喷油嘴,每年的产量将达到40000个。GE公司发现,采用SLM技术生产喷嘴,生产周期可缩短2/3,生产成本降低50%,同时可靠性得到了大大的提高。


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