粉末床电子束熔融金属3D打印技术的发展与现状

在过去的20年中,金属增材制造领域出现了许多经过不断开发改进、并经过检验的成熟技术。这些技术使用各种原料,例如粉末、金属丝以及金属棒。有些工艺将能量直接施加到材料上以制造零件,有些工艺则先制造一个预制坯,然后再进行烧结以得到具有足够冶金性能的金属部件。

在金属增材制造市场上,激光粉末床熔合(PBF-LB)占据着显著的,甚至近乎主导的地位。其主要优点是:以合理的高分辨率生产多个零件,甚至是大型零件;工艺过程易于理解,成形稳定,结果可预测。当然,这项技术也有它的缺点和弊端。

相较之下,与PBF-LB相似的电子束粉末床熔合技术(PBF-EB)尽管在技术上受人尊敬,但在应用当中似乎不被重视。PBF-EB尽管在许多应用领域都具有前景可观的价值潜力,但采用率(装机量)远远落后。

那么,为什么PBF-EB在采用率方面远远落后于PBF-LB?在下面的文章中,将研究PBF-EB和PBF-LB的优缺点,并尝试预测PBF-EB的发展方向。

金属增材制造行业咨询公司Ampower估计,到2019年底,包括PBF-LB和PBF-EB在内的金属粉末床熔合设备的安装数量为9,111台。根据Wohlers报告发布的数据,在2018–2020年间,可以估计其中只有6%左右(约510台)是PBF-EB机器。这意味着,每售出1台PBF-EB机器,PBF-LB机器的供应商售出了16台以上的机器。

对此的解释可能是:PBF-LB比PBF-EB出现的更早?然而,人类在120多年前就发现了电子束,直到60年前才发明了激光。文献中有证据表明,使用电子束熔化金属粉末的早期工作是由比利时鲁汶的Katholieke Universiteit的一个小组在1991年完成的。而第一台使用激光的金属PBF机器于1994年开始商业化,在时间上并没有优势。

block 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°C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。之后,降低成形平台,并在成形区域中铺设一层新的粉末。连续地逐层加热和选择性熔合粉末层,最终堆积形成和3D模型一致的形状。

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。通常,电子束的最大功率为3-6kW。电子从加热的灯丝或晶体发出,并通过高电压加速。电磁线圈对电子束的聚焦和定位过程,类似于光学透镜对激光束的聚焦和定位。在成形过程中,成形室和电子束枪始终处于真空状态。准备所需的真空环境大约需要一个小时。成形结束后,腔室内将充满惰性氦气,以加快冷却过程。在氦气中冷却几个小时后,才可以打开成形室,使其安全地暴露在空气中而不会发生粉末氧化。

虽然PBF-LB和PBF-EB都具有选择性熔化金属粉末层的基本功能和形式,但两种技术之间存在系统化的差异。最显著的差异是:PBF-LB需要机械振镜控制激光束的矢量式扫描。

在PBF-EB中,电子束的偏转没有质量,也没有惯性,因此可以使电子束几乎在一瞬间扫描整个成形区域,并且同时产生数十个熔池。

block 六大常见误解

关于PBF-EB,存在许多被误导或者不准确的认识。这些误解主要是由于PBF-EB在商业上远远落后于PBF-LB的事实。落后的原因主要在于:PBF-EB在其发展初期是一种更为复杂的技术。结果,技术人员和操作人员发现这项技术难以掌握,尽管电子束在发明激光之前就已经有很多用途。另一个原因可能是,金属增材制造技术的许多潜在用户选择了更容易上手的PBF-LB技术,这是基于销售统计数据的一个合理推测。

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。

1.PBF-EB与PBF-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。

2.PBF-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。

3.PBF-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。

4.PBF-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。

6.PBF-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。

block 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。

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。

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。

Part_TialGE9X 的3D打印钛铝叶片

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block 清粉和后处理

粉末管理和清除是所有粉末床熔合技术的关键环节,并且通常是成形过程和后处理的痛苦之源。另外,还有支撑结构的去除。PBF-LB和PBF-EB都面临以上问题,值得进一步阐述。

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更具优势。如果要消除零件内部的孔隙,以使得增材制造部件满足抗疲劳要求,HIP工艺通常是不可缺少的。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。

block 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?回答这个问题要谨慎,因为这取决于所讨论零件的几何形状。零件的大小和数量可以极大地影响经济性。机器的成形尺寸越大,一次可以制造的零件数量就越多。

有充分的证据表明,由PBF-EB生产的钛合金零件比PBF-LB生产的要便宜。因为PBF-EB目前被大量用于生产钛合金零件,因此可以进行充分的成本比较。

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。

也就是说,对于各种钛合金零件,PBF-EB总是比PBF-LB更便宜。即使节省的费用可能少于所声称的50%,但在制造业中哪怕节省10%的成本都很重要。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。

block 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。

PBF-EB技术在过去五年的进展,超过之前二十年的积累和发展。一项技术的发展在许多情况下往往就是这样,并不总是线性发展。

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。

来源:南极熊3D打印

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