西安賽隆金屬趙培：粉床電子束3D打印技術進展與應用

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技創(chuàng)新的開放合作共享交流平臺，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I域成果及人才，促進行業(yè)各環(huán)節(jié)、產業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場全程報道。

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任公司粉床電子束3D打印裝備研發(fā)經理趙培做了主題是《粉床電子束3D打印技術進展與應用》的報告。



下面是現(xiàn)場速記：



各位來賓大家下午好！我來自西安賽隆金屬材料有限責任公司，是我公司粉床電子束3D打印設備研發(fā)部門的負責人，我今天非常高興跟大家溝通一下粉床電子束3D打印技術進展及應用方面的工作。



一、粉床電子束增材制造技術


粉床電子束3D打印技術在增材制造大的分類當中屬于粉末床熔融的分支，與該技術最接近的是大家目前相對熟悉的激光選區(qū)熔化，這兩種技術有它的共同點，都是通過粉床鋪粉逐層成形，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)熔化是通過電子槍發(fā)射高能電子束束流來實現(xiàn)的，它的成形工藝分為四個部分，粉床鋪粉、粉床預熱、平臺下降、選區(qū)熔化，在初始層還需要對基板進行加熱，根據(jù)材料的不同基板設置的溫度也不同。



粉床電子束3D打印技術特點，首先是在打印過程中具有粉床預熱的功能，避免工藝過程中出現(xiàn)粉末揚起的現(xiàn)象，正是因為有了預熱，也帶來了在打印零件過程中消除零件部分應力的效果，預熱溫度最高可達1100℃，這種均勻預熱得益于電子束高速偏轉能力，高速電磁偏轉器，電子束偏轉速度可達8000m/s。第二個特點是電子束這種熱源具有高能量轉化率和高能量吸收率的特點，該技術更適合于成形高溫難熔的材料。第三個特點，預熱的工藝環(huán)節(jié)導致它在選區(qū)熔化的過程中，未熔融的部分是預燒結的粉末，這種粉末有一定的強度，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雜內流道及無序多孔結構。第四個特點，因為預熱過程可以降低粉床、基板、零件之間的溫度梯度，零件不需要過多的支撐，同時與基板的結合也比較弱，可以避免在打印完成后分離零件基板的過程中造成的二次污染，這是它的幾個特點。



當然有優(yōu)勢就有劣勢，電子束3D打印的技術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。同時完成打印后需要等待零件冷卻至室溫才能取出設備，也會影響整體的打印效率，這是它的一些問題。



二、西安賽隆SEBM裝備及技術進展


西安賽隆金屬材料有限責任公司是西北有色金屬研究院控股的高新技術企業(yè)，專業(yè)從事3D打印稀有金屬粉末、等離子旋轉電極霧化制粉裝備、粉床電子束3D打印裝備與復雜零件的研發(fā)、生產和銷售，建成了國內最大的3D打印稀有金屬粉末生產線和粉床電子束3D打印生產線。研制出了國產首臺商業(yè)化粉床電子束3D打印機，開發(fā)出了S200、Y150兩種型號。在國產設備基礎上，成功打印出了TC4、TiAl、、IN718、Ta、Nb和W等復雜構件，部分構件已經在航空航天等型號上獲得了應用。在3D打印方面共申請專利94余項（37項已授權），牽頭制定國家和行業(yè)標準8項、參與制定11項。



三、SEBM技術的應用

公司在生物醫(yī)療領域主要針對多孔鉭成形工藝進行了系統(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性等特征，是理想的骨科植入材料，但該金屬熔點高（2996℃）、抗變形力低，在3D打印的成形過程中致密化非常困難，我們通過優(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構的力學性能，最終零件致密度達到了96%以上，各項力學性能滿足了醫(yī)療植入體的需求。工藝固化后的多孔鉭樣件具有90彎曲無裂紋，壓縮不斷裂的優(yōu)秀特質。目前已經完成了16例42件鉭植入體的打印，并且實現(xiàn)了打印零件48小時的快速響應。

在航空航天領域，重點開展了TiAl基合金、Nb合金及W、Mo合金的粉床電子束3D打印工藝開發(fā)，其中TiAl基合金通過開發(fā)成形溫度閉環(huán)控制技術，已實現(xiàn)了該種材料復雜零件的穩(wěn)定成形，樣件致密度大于98%，材料無明顯氧增量，X光無損檢測無可見缺陷，強度大于500MPa。

小結，我們認為借助SEBM這種技術，進一步提高預熱溫度，優(yōu)化成形工藝，可實現(xiàn)脆性、難熔金屬材料的高品質打印。國產開源的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、新結構復雜零件的開發(fā)。



謝謝大家！