電子束金屬3D打印技術大變革：GE點熔化、粉末支撐、無底板

南極熊導讀：電子束金屬3D打印技術迎來重大變革，GE實現(xiàn)點熔化、粉末支撐、無底板打印了。

2024年9月2日，南極熊獲悉，在今年6月份舉辦的RAPID+TCT2024展會上，通用電氣航空航天公司（GE）旗下新近更名的Colibrium Additive發(fā)布了多項突破性產(chǎn)品，主要包括：

1.      軟件：EBM Control 6.4，這是其核心電子束粉末床熔合 (PBF-EB) 軟件的升級版。Colibrium指出EBM Control 6.4具備了三個最重要的更新功能，分別是點熔化（Point Melt）、粉末支撐（Powder Supports）和無底板（Plate Free）打印技術；

2.      設備：Spectra 系列電子束粉末床熔融 (EB-PBF) 打印機的最新款——SpectraM，以及Colibrium Additive Spectra L 打印機，這兩款打印機均可運行EBM Control 6.4軟件；

3.      材料：粗粒徑鈦合金粉末（Ti64）用于激光粉末床熔融設備的解決方案；

△SpectraM 3D 打印機。圖片來自 Colibrium Additive。

點熔、粉末支撐和無板打印術

Spectra M 款打印機配備了新推出的 EBMControl 6.4，兼容PointMelt、Powder Supports 和 Plate Free 技術。根據(jù)應用，客戶可以選擇高生產(chǎn)率主題或先進的 Point Melt 工藝功能，旨在實現(xiàn)無支撐打印，而不會影響表面粗糙度或機械性能。

△Colibrium擁有 Spectra 機器和配套的 EBMControl6.4 軟件

此外，Colibrium Additive 發(fā)布了 EBMControl 6.4，這是對其 EB-PBF 軟件的一次重大升級。此次升級包括 Point Melt、Powder Supports 和 Plate Free 等創(chuàng)新功能，適用于新款 Spectra M 和現(xiàn)有的 Spectra L 打印機。

點熔技術（Point Melt）通過小“點”而不是線來熔化金屬粉末，從而實現(xiàn)更精確的溫度控制并降低溫度梯度。Colibrium聲稱，這可實現(xiàn)優(yōu)異的各向同性材料性能，并顯著提高屈服強度，從而實現(xiàn)更大的取向自由度并改善表面粗糙度。一份新聞稿解釋說，使用 Point Melt 制造的部件具有出色的表面粗糙度，與激光粉末床熔合相當。對此，Colibrium Additive 高級產(chǎn)品經(jīng)理Oscar Angervall解釋道：“ Point Melt 采用自適應軟件算法進行控制，標志著熔化掃描策略的重大變革。金屬部件可從減少構建懸垂結構所需的支撐和提高表面質量中受益�！�

△通過EBM Point Melt 技術實現(xiàn)的微結構控制。圖片來自 Colibrium Additive。

粉末支撐技術（PowderSupports）一種在構建過程中設計部件支撐結構的新解決方案，顯著減少或消除了構建過程中對支撐結構的需求，保持了尺寸精度，同時降低了后處理成本。之前一般都是SLS 激光燒結中，尼龍、TPU等高分子粉末材料才可以實現(xiàn)粉末支撐，現(xiàn)在GE實現(xiàn)了金屬粉末的自支撐。

無底板打印技術（PlateFree）是傳統(tǒng)“啟動板加熱”的替代方案，它提供了一種經(jīng)濟高效、無需干預的構建方式，減少了機器周轉時間和污染風險，并允許每次機器周轉進行多次構建。在無板加熱啟動過程中，粉末逐漸燒結到可以在其上構建零件的程度，從而帶來質量和成本方面的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：

• 減少機器周轉時間并減少對操作員的依賴；
• 降低污染風險，延長陰極壽命；
• 每臺機器周轉一次即可啟動多個構建任務；
• 消除對一個笨重、空間大且昂貴的耗材的需求；
  

此外，Plate Free 與Start Plate Heating 均設置了主題，因此無需在打印任務之間進行切換。

與Seurat區(qū)域燒結金屬3D打印技術對比

與上述提及的GE點熔打印技術中采用“點狀”高能束熔化粉末類似，此前的 Seurat公司同樣開發(fā)出了一種區(qū)域燒結金屬3D打印技術。Seurat的專利技術在原理上與SLM技術近似，但仍有不同點，Seurat的這種新技術不是增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量。常規(guī)的金屬增材制造系統(tǒng)的光斑直徑為100微米，對于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬個激光點射向15平方毫米的方形區(qū)域，每個光點的直徑大約為10微米，也就是說一次打印一個區(qū)域。該技術的具體實現(xiàn)方式為：

1. 脈沖紅外激光源的光束整形可產(chǎn)生均勻的方形場。

2. 使用藍光投影儀生成與方形激光束大小相同的區(qū)域圖案投影,對齊兩束光束。

3. 通過光學可尋址光閥 (OALV)水平偏振紅外激光束，其中藍光和紅外光“像素”重疊。垂直偏振，紅外和藍色不重疊。

4. 分離垂直和水平偏振紅外激光束，從而通過掃描儀系統(tǒng)進一步處理區(qū)域圖案，以在圖案區(qū)域中熔化粉末床。

南極熊剖析一下，可能你會更容易理解這個技術的厲害之處：

• 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當于15平方毫米，而常規(guī)單激光100微米直徑的光斑面積僅僅為0.0078平方毫米，兩者相差近1000倍，也就是說最多可以實現(xiàn)單激光系統(tǒng)1000倍以上的熔融效率；
• 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度卻能達到傳統(tǒng)單激光的10倍。
  

在本文中提及的GE點熔打印技術是將能量源從激光變成了電子束，所采用的投射方式與Seurat相同。南極熊猜測，這里提及的點狀激光應為脈沖激光模式，與常規(guī)的連續(xù)激光模式有著各自的優(yōu)缺點。

常規(guī)SLM技術多數(shù)采取的是連續(xù)激光模式，它是連續(xù)激光器以恒定的功率輸出激光，不間斷地提供激光能量。連續(xù)激光器可以提供恒定的能量輸入，適合于快速打印大面積結構，提高整體的打印效率。此外，由于能量輸入連續(xù)穩(wěn)定，連續(xù)激光器在打印過程中能維持穩(wěn)定的熱輸入，有助于保證打印件的均勻性和一致性。相對于脈沖激光器，連續(xù)激光器的設計和制造成本通常較低，更加經(jīng)濟實惠。但是，連續(xù)激光由于長時間的熱輸入，容易導致材料周圍產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)，可能引起變形或殘余應力。熱輸入較高也會導致打印部件的細節(jié)分辨率較低，不適合超精細結構的制造。

與之對應的脈沖激光以極高的功率輸出短時間的光脈沖，每個脈沖持續(xù)的時間通常在納秒到飛秒級別。脈沖激光能量在非常短的時間內集中釋放，通常能達到更高的峰值功率。脈沖激光可以實現(xiàn)非常精細的加工，適合制造微小的、復雜的結構。由于脈沖時間短，可以減少熱影響區(qū)，避免材料過度熔化或熱變形。由于其高峰值功率和短脈沖時間，脈沖激光可以產(chǎn)生更高的分辨率，適合用于高精度需求的應用場景。但是由于脈沖模式的特性，脈沖激光通常需要更多的時間來覆蓋相同的面積，導致整體打印速度較慢。想要實現(xiàn)高效率的打印效率，就需要在激光投射方式和激光器上做出更多的改動，以實現(xiàn)更大面積的激光覆蓋，這也是Seurat激光系統(tǒng)的核心之處。當然，這樣會使得激光器的制造和維護成本升高，增加了設備的復雜性和成本。

綜上而言，點狀的脈沖激光適合于高精度、高分辨率的微細加工應用，尤其是在處理對熱敏感的材料時表現(xiàn)優(yōu)越，但打印速度較慢，設備成本較高。連續(xù)激光則適合大面積、快速制造的應用場景，具有更高的效率和穩(wěn)定性，但在細節(jié)和熱管理方面可能不如脈沖激光。

Spectra M 電子束熔融（EB-PBF）打印機

規(guī)格：

• 技術原理：金屬電子束熔煉（EB-PBF）
• 構建體積： Ø270 x 430 毫米。
• 光束功率： 4.5 kW
• 材料： Ti6Al4V 5 級和Ti6Al4V 23 級
  

Spectra M新款打印機的推出了豐富了Colibrium Additive的電子束熔融（EB-PBF）打印機系列產(chǎn)品，公司已有的三款 EMB 機器分別是：Q10plus、SpectraL 和 Spectra H。該機器現(xiàn)已接受訂購，預計首批交貨時間為 2025 年第一季度初，它滿足了對較小構建體積 EB-PBF 打印機的需求，同時保持了電子束熔化技術的設計自由度和生產(chǎn)力優(yōu)勢。

Spectra M 的開發(fā)是為了滿足增材制造商的特定需求，尤其是醫(yī)療和骨科植入物行業(yè)的制造商。Spectra M 較小的構建體積為降低單件成本和總體生產(chǎn)成本提供了解決方案。Spectra M版本的機器規(guī)格為Ø270 x 430 毫米的構建體積和 4.5 千瓦的光束功率，比 Q10plus 更大，支持 Ti6Al4V Grade 5 和 Ti6Al4V Grade 23 等材料。Colibrium表示這允許它更加經(jīng)濟高效地生產(chǎn)骨科植入物。M版本和 Q10plus 之間的區(qū)別在于 M 中有一個全新的圓柱形構建室和一個更強大的電子束（4.5 kW 對 3 kW）。SpectraM 旨在處理 Ti6Al4V 5 級和 23 級材料，就像它的“大哥” Spectra L 一樣，也配備了 4.5 kW 電子束。

Colibrium Additive 高級產(chǎn)品經(jīng)理 Oscar Angervall 強調了客戶反饋在開發(fā)過程中的重要性，他表示：“擁有經(jīng)驗豐富、長期使用的最大用戶群，為我們不斷改進產(chǎn)品組合提供了寶貴的見解和幫助，以提供滿足他們特定需求的 EB-PBF 技術，因為他們將繼續(xù)擴大增材制造業(yè)務。Spectra M 直接響應了我們與客戶之間的持續(xù)對話，尤其是骨科植入物行業(yè)的增材制造用戶�！�

粗 Ti64粉末材料L-PBF應用方案

此外， GE Aerospace 的金屬粉末公司AP&C還推出了一種粗 Ti64 粉末解決方案，旨在降低零件成本。這種材料采用 15-45 μm 和 15-53μm 范圍內的較大尺寸顆粒，與傳統(tǒng)用于激光粉末床熔合 (L-PBF) 的細粉末相比，通常被認為是粗顆粒。盡管尺寸較大，但這些顆粒保持了高質量標準，適用于航空航天和骨科領域的關鍵應用。這種新粉末經(jīng)過驗證，可用于 Colibrium Additive 的 M2 激光 PBF 平臺，其質量與細粉末相同，但顆粒尺寸更大，因此更具成本效益且更安全。粗Ti64 粉末反應性較低，可降低污染風險并提高材料的可重復使用性。

粗 Ti64 粉末解決方案代表著在降低增材制造成本的同時保持高質量生產(chǎn)標準方面邁出了重要一步。這項創(chuàng)新符合行業(yè)對更具成本效益的粉末的需求，并努力最大限度地減少增材制造對環(huán)境的影響。

GE Aerospace還表示，其 3系列金屬粘合劑噴射系統(tǒng)已實現(xiàn)商業(yè)化。雖然這家企業(yè)巨頭投入了大量資源來開發(fā)這種粘合劑噴射解決方案，但Colibrium 在 RAPID+TCT 上的聲明反映了GE 增材制造部門在其產(chǎn)品線中的持續(xù)進展。粘合劑噴射顯然對于開拓蓬勃發(fā)展的市場至關重要.

Colibrium Additive 近期取得的里程碑

作為戰(zhàn)略調整的一部分，Colibrium Additive 從 GE Additive 更名而來，目前隸屬于 GE Aerospace。此次轉變包括逐步淘汰 Concept Laser 和 Arcam EBM 品牌，同時更新 AP&C 的品牌，使其與 GE Aerospace 的形象更加一致。

新名稱 Colibrium Additive 源自“協(xié)作(collaborative)”和“平衡(equilibrium)”的融合。該公司于 2016 年收購Concept Laser 和 Arcam后成立，此次更名旨在將公司的增材制造能力統(tǒng)一到航空航天領域的一個有凝聚力的品牌下。

在其他地方，Colibrium Additive為辛辛那提動物園11 歲的大猩猩Gladys制造了專門的3D 打印鈦鑄件，以治療其肱骨骨折。這款先進的鑄件經(jīng)過精心設計，可承受 Gladys 的自然活動并防止進一步受傷，并經(jīng)過量身定制，以滿足大猩猩獨特的治療挑戰(zhàn)。據(jù)動物園官員稱，Colibrium Additive 的快速生產(chǎn)周轉凸顯了其在滿足精確醫(yī)療要求方面的有效性。