西安賽隆金屬趙培：粉床電子束3D打印技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用

2019年9月19-21日，IAME中國(guó)（西安）國(guó)際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇將在西安高新國(guó)際會(huì)議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技創(chuàng)新的開(kāi)放合作共享交流平臺(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打印）領(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場(chǎng)全程報(bào)道。

2019年9月 20 日“增材制造工藝與裝備論壇”，西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司粉床電子束3D打印裝備研發(fā)經(jīng)理趙培做了主題是《粉床電子束3D打印技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用》的報(bào)告。



下面是現(xiàn)場(chǎng)速記：



各位來(lái)賓大家下午好！我來(lái)自西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司，是我公司粉床電子束3D打印設(shè)備研發(fā)部門的負(fù)責(zé)人，我今天非常高興跟大家溝通一下粉床電子束3D打印技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用方面的工作。



一、粉床電子束增材制造技術(shù)


粉床電子束3D打印技術(shù)在增材制造大的分類當(dāng)中屬于粉末床熔融的分支，與該技術(shù)最接近的是大家目前相對(duì)熟悉的激光選區(qū)熔化，這兩種技術(shù)有它的共同點(diǎn)，都是通過(guò)粉床鋪粉逐層成形，兩者的區(qū)別是熱源不同，工作環(huán)境不同，工藝也不盡相同。粉床電子束選區(qū)熔化是通過(guò)電子槍發(fā)射高能電子束束流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它的成形工藝分為四個(gè)部分，粉床鋪粉、粉床預(yù)熱、平臺(tái)下降、選區(qū)熔化，在初始層還需要對(duì)基板進(jìn)行加熱，根據(jù)材料的不同基板設(shè)置的溫度也不同。



粉床電子束3D打印技術(shù)特點(diǎn)，首先是在打印過(guò)程中具有粉床預(yù)熱的功能，避免工藝過(guò)程中出現(xiàn)粉末揚(yáng)起的現(xiàn)象，正是因?yàn)橛辛祟A(yù)熱，也帶來(lái)了在打印零件過(guò)程中消除零件部分應(yīng)力的效果，預(yù)熱溫度最高可達(dá)1100℃，這種均勻預(yù)熱得益于電子束高速偏轉(zhuǎn)能力，高速電磁偏轉(zhuǎn)器，電子束偏轉(zhuǎn)速度可達(dá)8000m/s。第二個(gè)特點(diǎn)是電子束這種熱源具有高能量轉(zhuǎn)化率和高能量吸收率的特點(diǎn)，該技術(shù)更適合于成形高溫難熔的材料。第三個(gè)特點(diǎn)，預(yù)熱的工藝環(huán)節(jié)導(dǎo)致它在選區(qū)熔化的過(guò)程中，未熔融的部分是預(yù)燒結(jié)的粉末，這種粉末有一定的強(qiáng)度，可以代替部分支撐，在不加支撐的情況下，電子束選區(qū)熔化技術(shù)成形的零件具有較好的異形孔、橫孔形狀再現(xiàn)性能，更適合于加工一些復(fù)雜內(nèi)流道及無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)。第四個(gè)特點(diǎn)，因?yàn)轭A(yù)熱過(guò)程可以降低粉床、基板、零件之間的溫度梯度，零件不需要過(guò)多的支撐，同時(shí)與基板的結(jié)合也比較弱，可以避免在打印完成后分離零件基板的過(guò)程中造成的二次污染，這是它的幾個(gè)特點(diǎn)。



當(dāng)然有優(yōu)勢(shì)就有劣勢(shì)，電子束3D打印的技術(shù)受限于目前電子束斑直徑的尺寸，所以成形零件尺寸精度較差，表面粗糙度較高，這是比較明顯的劣勢(shì)。同時(shí)完成打印后需要等待零件冷卻至室溫才能取出設(shè)備，也會(huì)影響整體的打印效率，這是它的一些問(wèn)題。



二、西安賽隆SEBM裝備及技術(shù)進(jìn)展


西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司是西北有色金屬研究院控股的高新技術(shù)企業(yè)，專業(yè)從事3D打印稀有金屬粉末、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉裝備、粉床電子束3D打印裝備與復(fù)雜零件的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，建成了國(guó)內(nèi)最大的3D打印稀有金屬粉末生產(chǎn)線和粉床電子束3D打印生產(chǎn)線。研制出了國(guó)產(chǎn)首臺(tái)商業(yè)化粉床電子束3D打印機(jī)，開(kāi)發(fā)出了S200、Y150兩種型號(hào)。在國(guó)產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上，成功打印出了TC4、TiAl、、IN718、Ta、Nb和W等復(fù)雜構(gòu)件，部分構(gòu)件已經(jīng)在航空航天等型號(hào)上獲得了應(yīng)用。在3D打印方面共申請(qǐng)專利94余項(xiàng)（37項(xiàng)已授權(quán)），牽頭制定國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)、參與制定11項(xiàng)。



三、SEBM技術(shù)的應(yīng)用

公司在生物醫(yī)療領(lǐng)域主要針對(duì)多孔鉭成形工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研發(fā)工作。多孔鉭具有高孔隙率、低彈性模量、高摩擦系數(shù)、優(yōu)異的生物相容性及軟骨傳導(dǎo)性等特征，是理想的骨科植入材料，但該金屬熔點(diǎn)高（2996℃）、抗變形力低，在3D打印的成形過(guò)程中致密化非常困難，我們通過(guò)優(yōu)化掃描策略、掃描間距、掃描速度、底板溫度等核心工藝參數(shù)，不斷的提高材料致密度及多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，最終零件致密度達(dá)到了96%以上，各項(xiàng)力學(xué)性能滿足了醫(yī)療植入體的需求。工藝固化后的多孔鉭樣件具有90彎曲無(wú)裂紋，壓縮不斷裂的優(yōu)秀特質(zhì)。目前已經(jīng)完成了16例42件鉭植入體的打印，并且實(shí)現(xiàn)了打印零件48小時(shí)的快速響應(yīng)。

在航空航天領(lǐng)域，重點(diǎn)開(kāi)展了TiAl基合金、Nb合金及W、Mo合金的粉床電子束3D打印工藝開(kāi)發(fā)，其中TiAl基合金通過(guò)開(kāi)發(fā)成形溫度閉環(huán)控制技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)了該種材料復(fù)雜零件的穩(wěn)定成形，樣件致密度大于98%，材料無(wú)明顯氧增量，X光無(wú)損檢測(cè)無(wú)可見(jiàn)缺陷，強(qiáng)度大于500MPa。

小結(jié)，我們認(rèn)為借助SEBM這種技術(shù)，進(jìn)一步提高預(yù)熱溫度，優(yōu)化成形工藝，可實(shí)現(xiàn)脆性、難熔金屬材料的高品質(zhì)打印。國(guó)產(chǎn)開(kāi)源的SEBM裝備在打印精度、成形效率及穩(wěn)定性上的不斷提升，將助推更多新材料、新結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的開(kāi)發(fā)。



謝謝大家！