【解析】電子束燒結快速成形技術

快速原型制造技術是基于“離散/堆積”原理迅速發(fā)展起來的一種以CAD、數(shù)控技術、高能量束和新材料等多門技術為基礎的新興先進制造技術。 它的出現(xiàn)被認為是近年來制造技術領域內(nèi)的一次重大突破，其對制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術的出現(xiàn)相媲美。它可以自動、直接、快速、精確的將在計算機上“看得見，摸不著”的設計思想產(chǎn)物轉變?yōu)椤翱吹靡姡�摸得著”的具有一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件。同時它也是一種在“分層制造”思想的基礎上發(fā)展起來的制造技術，并在汽車、電子、國防軍事、航空航天及醫(yī)學領域得到成功應用。

1.3D打印工藝
目前已經(jīng)出現(xiàn)了幾十種工藝，其中常見的加工方法有：立體印刷成型（SLA），層和實體制造（LOM），激光選域燒結（SLS），熔融沉積制模（FDM），三維噴涂粘結（3DPG），焊接成型（Welding Forming）等。這幾種方式都各有自己的特點和優(yōu)勢。十幾年來，這些技術在國內(nèi)外都得到了一定的發(fā)展，而且將成為21世紀制造業(yè)的重要組成部分。   

2  電子束快速成形技術的優(yōu)點
目前金屬零件快速制造工藝多數(shù)采用激光在氣體保護下進行金屬粉末的燒結或熔化。激光作為一種金屬材料的加工手段，技術比較成熟、可控性好，便于實現(xiàn)數(shù)控，能夠較好的實現(xiàn)材料的“離散/堆積”，成型激光燒結在小功率范圍內(nèi)應用比較經(jīng)濟，但是當燒結或熔化諸如鎢、鈦及高溫合金特種性能金屬材料關鍵件時有強度不夠高的缺點。而電子束加工作為另一種高能束加工手段，它是采用高能電子束作為加工熱源，成型可通過操縱磁偏轉線圈進行。已在金屬零件快速成型領域中得到應用，并顯示出了一系列獨特的優(yōu)勢：

1）功率能量利用率高  
電子束可以很容易的做到幾千瓦級的輸出，而激光器的一般輸出功率在1 kW~5 kW之間。電子束加工的最大功率能達到激光的數(shù)倍，其連續(xù)熱源功率密度比激光高很多，可達1×107 W/mm2。同時比起激光15%的能量利用率，電子束的能量利用率要高很多，可達到75%。  
2）對焦方便
激光在理論上光斑直徑可達1 nm，但在實際應用中一般達不到。而電子束則可以通過調(diào)節(jié)聚束透鏡的電流來對焦，束徑可以達到0.1 nm。因而可以作到極細的聚焦。加工出的產(chǎn)品粒度高，純度高，性能更優(yōu)越。

3）可加工材料廣泛
大部分金屬對激光的反射率很高，熔化潛熱也很高，從而導致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降低，使得熔池溫度急劇上升，導致材料汽化。而電子束可以不受加工材料反射的影響，很容易加工用激光難于加工的材料，而且具有的高真空工作環(huán)境可以避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。這一點對鈦及鈦合金的加工尤為可貴。
4）成形速度高，運行成本低
電子束設備可以進行二維掃描，掃描頻率可達到20 kHz，無機械慣性，可以實現(xiàn)快速掃描。且不像激光那樣消耗諸如N2、CO2、H2等氣體，價格相比較較低廉。只需消耗數(shù)量不大的燈絲。  

由上可知，電子束加工較激光加工有能量利用率高、可應用材料廣泛、真空環(huán)境無污染、成形速度快等優(yōu)勢。  除此之外，電子束在金屬焊接、電子束蒸發(fā)涂覆、電子束熔煉、電子束表面處理、電子束打孔、電子束制粉、電子束消毒滅菌、電子束顯微技術等領域近些年來也不斷得到發(fā)展，其應用領域也在不斷的拓寬。許多研究工作還在繼續(xù)深入，電子束技術在工業(yè)中的應用存在巨大潛力�？傊�電子束技術符合21世紀綠色制造的宗旨，正受到更多的關注和研究，可以預見電子束在金屬零件快速制造技術領域必將占有主導地位。  

3  電子束快速成形技術的設備  
典型的電子束快速成形設備通常是由電子槍、工作室（亦稱真空室）、真空系統(tǒng)、電源及電氣控制系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成。電子槍是燒結設備中用以產(chǎn)生和控制電子光學系統(tǒng)的總稱�，F(xiàn)多采用三級電子槍，其電極系統(tǒng)由陰極、偏壓電極和陽極組成。陰極處于高的負電位，它與接地的陽極之間形成電子束的加速電場。偏壓電極則可以通過調(diào)節(jié)其相對于陰極負電位的大小和改變偏壓電極形狀以及位置來調(diào)節(jié)電子束流的大小和改變電子束的形狀。其中陰極的形狀及其與偏壓電極的相對位置是影響電子束斑點位置的重要因素。

工作室多采用低碳鋼板制成以屏蔽外部磁場對電子束軌跡的干擾。工作室表面通常鍍鎳或作其他處理，以減少表面吸附氣體，飛濺及油污等，縮短抽真空時間和便于工作室的清潔工作，形狀應根據(jù)用途和被加工零件來確定；真 空系統(tǒng)是對電子槍室和工作室抽真空用的，該系統(tǒng)多采用兩種類型的真空泵，一種是活塞式或葉片式機械泵，也被稱為低真空泵，它用于將電子槍室和工作室從大氣壓抽到壓強為10 Pa左右。它應與雙轉子真空泵（也稱羅茨泵），配合使用以提高速度，并使工作室壓強降到1 Pa以下，另一種是油擴散泵，用于將電子槍室和工作室壓強降到10-2 Pa以下，電源系統(tǒng)包括高壓電源、陰極加熱電源和偏壓電源�？刂葡到y(tǒng)是指工作臺、夾具、轉臺等輔助設備。  

國際上在電子束快速成形領域設備有瑞典、美國等國家，最為領先的是瑞典Arcam AB 公司研制并制造。  Arcam EBM S12設備技術參數(shù)為，成型空間：250 mm×250 mm×200 mm （長×寬×高，下同）；最大成形尺寸：200 mm×200 mm×160 mm；精度：±0.4 mm；熔化速率：0.3 m/s~0.5 m/s（依材料而定）；層厚：0.05 mm~0.2 mm（依材料而定）；電子束掃描速率：小于20 m/s；電子束定位精度：±0.05 mm；能量供應：3×400 V，32 A，7 kW；設備尺寸及重量：1800 mm×900 mm×2200 mm，1350 kg；計算機：PC，Windows2000，XP professional；CAD格式：STL；網(wǎng)絡：以太網(wǎng)10/100；認證：歐洲CE。  國內(nèi)在此方面比較成功的研究機構是清華大學機械系快速成形中心自主研發(fā)的“電子束選區(qū)同步燒結工藝及三維分層制造設備”。   

4  電子束快速成形技術的現(xiàn)狀
電子束燒結快速成形技術是在成形技術和大功率電子束蓬勃發(fā)展的基礎上開始出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的一項新的先進制造技術。該技術借鑒了快速原型技術“離散/堆積”的增材制造思想，它正逐漸成為一種新的生產(chǎn)方式。  電子束熔覆/燒結技術，在國內(nèi)外均剛剛起步，是目前快速制造技術研究的熱點，也是電子束燒結技術發(fā)展的一個最新趨勢。它由產(chǎn)品三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動高能量密度熱源—電子束，通過熔覆/燒結來組裝材料微滴單元而直接快速制造出任意形狀并具有特種性能的材料或零構件。

它將僅在零件表面和局部區(qū)域獲得的優(yōu)越的熔凝組織通過多層熔覆擴展到整個三維實體零件。從而能夠?qū)崿F(xiàn)具有高性能復雜結構致密金屬零件的快速、無模具近凈成形或僅需極少量的后續(xù)加工的近形件。同時它還充分的體現(xiàn)了電子束技術與快速成形技術的特點：高能量的電子束加工范圍廣泛；束斑直徑極小的電子束加工時成型精確，減少了加工余量和后處理工藝；電子束技術提供的真空環(huán)境下減少了電子散射，降低了金屬的氧化程度，還提供了一個良好的熱平衡系統(tǒng)，保證了成型的穩(wěn)定性�？焖俪尚渭夹g具有的高度柔性加工環(huán)境則提高了設計的靈活性，通過改變CAD模型文件可使設計人員方便、經(jīng)濟的對零件進行修改和補充，還可以靈活的改變零件不同部位的成分，使零件具有優(yōu)異的綜合性能；而且不需要制作昂貴的模具。生產(chǎn)周期短、效率高。

此外，材料利用率高，多余的粉末可回收而重復使用。這些特點表明電子束燒結快速制造技術具有廣闊的應用前景，它不僅可用于零件的直接制造，而且還可以用來修復大的金屬零件。該技術一經(jīng)出現(xiàn)就成為發(fā)達國家和我國先進制造技術領域的研究熱點。電子束燒結快速制造原理如圖1所示。            

圖1  電子束燒結快速制造示意圖（清華大學提供）   

日本Osaka大學以及韓國Pohang大學等研究機構也使用電子束在基體金屬表面熔覆金屬粉末；英國伯明翰大學利用電子束對合金提純以及表面改性方面也作了大量的研究。證明了電子束燒結的可行性。  美國麻省理工學院提出了電子束實體自由制造技術EBSFF（Electron Beam Solid Freeform Fabrication），EBSFF類似于激光近凈成形制造技術，電子束固定不動，工作臺在計算機的控制下，根據(jù)幾何形體各層截面的坐標數(shù)據(jù)進行移動的同時，加工原料（金屬絲）通過送絲機構被電子束熔化層層堆積而得最終產(chǎn)品。

美國NASA的Langley研究中心也開發(fā)出的類似于EBSFF的電子束自由快速制造技術（EB F3） 用于2219Al材零件的制造，它也是將金屬絲原料送入聚焦電子束熔池內(nèi)，一層層熔融堆積薄層組織而得預期零構件。上述電子束熔覆/堆積制造技術的特點是在一個較短暫的時間內(nèi)（如1 s）電子束只加熱整個成形區(qū)域中的一個局部，其原料隨電子束焦點或工作臺移動而依次完成熔化/燒結并沉積在成形區(qū)域內(nèi)。

由于受到能量密度和材料燒結特性的限制，上述分層制造工藝為了通過一次性掃描完成材料的熔化/燒結沉積，電子束掃描速度或工作臺移動速度受到限制，只能逐點或分區(qū)加熱，材料粉末或金屬絲也只能逐點或分區(qū)被熔覆/燒結。因此加熱的均勻性較差，由于材料受熱不均勻，燒結過程容易產(chǎn)生熱應力。當加工完成后，若零件內(nèi)存在較大殘余應力必將對其精度和力學性能產(chǎn)生不良影響。特別是燒結過程中的熱應力，嚴重時會導致零件翹曲。此外，上述制備工藝是以材料粉末或絲作為原料，并附以相關送粉/絲裝置。以粉末為原料，真空系統(tǒng)在吸排氣產(chǎn)生的氣流及電子束的高速轟擊都可能吹起或濺射出細小粉末，粉末原料飛散有損害真空室內(nèi)運動部件的可能；而且送粉/絲裝置的存在必然限制真空成形室的大小，一則直接影響設備的成本，二則不利于超大成形件的制備。  

目前比較領先的是瑞典Arcam AB公司開發(fā)的電子束熔化技術EBM（Electron Beam Melting），EBM工作原理與選擇性激光燒結類似，都是先CAD建模，然后將模型按一定的厚度切片分層（即將產(chǎn)品的三維信息離散成一系列二維輪廓信息），但EBM在真空工作室內(nèi)以電子束為能量源，電子束通過以二維截面數(shù)據(jù)信息驅(qū)動，有選擇的對鋪粉平面上鋪展壓實的粉末類原料進行轟擊，粉末原料在電子束的轟擊下被熔化/燒結在一起，并與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部燒結完成。Arcam公司利用EBM技術制備出在抗張強度、屈服強度、彈性模量等性能均優(yōu)于鍛造件的Ti6Al4及H13工具鋼，并針對該技術研制出Arcam EBM S-12快速制造設備，該設備可制備出的最大尺寸為200 mm×200 mm×180 mm，精度為±0.3 mm的快速成形件。EBM S-12快速制造設備及三維產(chǎn)品的制備方法在美國、中國等均申請了專利，并已得到授權。  

國內(nèi)，清華大學激光快速成形中心聯(lián)合國內(nèi)主要的電子束設備提供單位進行了多方論證，開發(fā)出電子束選區(qū)同步燒結工藝及三維分層制造設備，并已在國內(nèi)申請專利。他們發(fā)明的三維分層制造設備也是以粉末類材料為原料，但其電子束掃描控制裝置可控制電子束在制定區(qū)域內(nèi)以圖形投影的方式快速掃描，均勻的加熱粉體。該設備中電子束每一次掃描選定區(qū)域的時間極短，以至掃描起始點的溫度還沒有發(fā)生較大變化時，整個成形區(qū)域就已經(jīng)掃描完成，經(jīng)過一幀或多幀掃描，成型區(qū)域內(nèi)材料階梯式同步升溫，共同達到燒結或重熔所學的溫度，并一起沉積到成形區(qū)域上，然后同步的降溫。

由于整體成型區(qū)域內(nèi)的材料同步升溫、燒結、沉積和降溫，因此產(chǎn)生的熱應力可大大減小，提高零件成形的精度和質(zhì)量。該中心采用電子束燒結316L不銹鋼粉末的微觀組織結構（如圖2所示），其組織細密均勻，沒有發(fā)現(xiàn)未熔顆粒。采用電子束燒結快速制造技術制備SiCP/ A1復合材料可擺脫傳統(tǒng)工藝制造過程中陶瓷顆粒增強鋁基復合材料易氧化、增強顆粒分散不均勻及界面結合差等制約其應用的難題，并能制造出任意復雜形狀的結構件。  清華大學的這套電子束分層制造設備和工藝顯然進一步發(fā)展了國際上現(xiàn)有的電子束熔覆/燒結技術。      

圖2  電子束燒結316L粉末的微觀組織   

5  存在的主要問題
電子束燒結快速成形金屬零件技術是近幾年來剛提出來的新課題，雖然取得了一些發(fā)展，并有一些成績，但是該技術要獲得廣泛的應用，還須在幾個方面進行深入研究：  
1）理論研究需要進一步深化，要建立制造過程的模型和三維數(shù)值模擬；  
2）需進一步提高粉末的輸送精度和流量，提高對熔池的控制；
3）工藝研究需進一步系統(tǒng)化，解決工藝參數(shù)和成形精度，成形缺陷的消除和抑制等問題；  
4）需要進行大量的實驗以確定在不同情況下，如何使成形精度和成形速度達到最佳匹配，提高成 形效率；  
5）開發(fā)適用于該技術的合金材料并發(fā)展電子束熔覆過程的實時觀測技術。  

6  結  語  
電子束燒結與快速制造技術相結合作為一種金屬零件快速成型技術，不僅可以充分利用電子束真空加工環(huán)境、高能量密度及掃描速度快等優(yōu)點，而且可以發(fā)揮快速制造無需工模具，開發(fā)周期短及制造成本低等優(yōu)勢。還有機的結合了電子束熔煉、粉末冶金及快速制造等諸多工藝的優(yōu)點，必將在汽車、航空航天和醫(yī)療等領域得到快速發(fā)展和應用。具有非常廣闊的應用前景。但目前該技術尚處于發(fā)展初期，基礎問題的研究仍是當前研究的重點之一。

編輯：南極熊
作者：楊  鑫，湯慧萍，賀衛(wèi)衛(wèi)，劉海彥