電子束粉末床熔融增材制造：綜述及其在中國(guó)的發(fā)展

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

清華大學(xué)和廣西大學(xué)的科研人員報(bào)道綜述了電子束粉末床熔融增材制造及其在中國(guó)的發(fā)展研究。相關(guān)論文以“Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: A Comprehensive Review and Its development in China”為題發(fā)表在《Additive Manufacturing Frontiers》上。

增材制造（AM）作為一項(xiàng)舉足輕重的創(chuàng)新技術(shù)，給制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。憑借在增材制造領(lǐng)域三十多年的雄厚實(shí)力，中國(guó)已取得了重要的里程碑式成就，在相關(guān)機(jī)械和產(chǎn)品的部署和出口方面已成為全球重要的參與者。中國(guó)在粉末床熔融技術(shù)領(lǐng)域的突出地位體現(xiàn)在其巨大的市場(chǎng)份額上。電子束粉末床熔融技術(shù)（EB-PBF）以其低殘余應(yīng)力和高成型效率而著稱(chēng)，在國(guó)際上已引起了廣泛關(guān)注。自2004年清華大學(xué)啟動(dòng)第一項(xiàng)EB-PBF研究以來(lái)，中國(guó)在這一領(lǐng)域取得了穩(wěn)步進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了EB-PBF設(shè)備的商業(yè)化，并開(kāi)發(fā)了多樣化的產(chǎn)品線。本綜述重點(diǎn)介紹了EB-PBF的研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注其在中國(guó)的發(fā)展，探討了新技術(shù)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展提出了見(jiàn)解。

圖1.電子束增材制造示意圖(a)送絲；(b)EB-PBF

圖2.(a)EB-PBF機(jī)器系統(tǒng)圖；(b)EB-PBF制造過(guò)程

圖3.EB與激光的能量轉(zhuǎn)換

圖4.(a)GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)；(b)通過(guò)EB-PBF生產(chǎn)的TiAl渦輪葉片

圖5.（a）通過(guò)EB-PBF生產(chǎn)的Trent XWB97K前軸承葉片；（b）通過(guò)GE Additive生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴

圖6.通過(guò)EB-PBF生產(chǎn)的髖臼杯

圖7.商業(yè)化EB-PBF機(jī)器概覽

圖8.清華大學(xué)的EB-PBF發(fā)展里程碑

圖9.清華大學(xué)的EB-PBF機(jī)器：（a）EBSM-150；（b）EBSM-250I；（c）EBSM-250II；（d）EBSM-250III

圖10.EB-LHM工藝

圖11.EB-PBF工藝當(dāng)前可能的建模策略概覽

圖12.熔池模擬結(jié)果：(a)平行熱自由表面晶格玻爾茲曼法；(b)有限體積法

圖13.EB-PBF形成的不同尺寸In738合金單晶：（a）成型掃描策略；（b-g）成型尺寸逐漸增大的單晶

圖14.（a）Freemelt公司的Pixelmelt®技術(shù)；（b）通過(guò)EB-PBF的點(diǎn)熔技術(shù)制造的SDSS 2507 樣品

圖15.機(jī)器學(xué)習(xí)在增材制造中的應(yīng)用

圖16.預(yù)測(cè)EBM制造部件的內(nèi)部缺陷

AM被認(rèn)為是未來(lái)制造業(yè)的主要發(fā)展動(dòng)力。近年來(lái)，EB-PBF技術(shù)作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘僭霾闹圃旆椒�，在攻克技術(shù)難關(guān)的同時(shí)逐步走向產(chǎn)業(yè)化，在航空航天、醫(yī)療器械等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。中國(guó)在EB-PBF方面的基礎(chǔ)性研究已獲得國(guó)際認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)了自主研究和設(shè)備開(kāi)發(fā)。中國(guó)在大規(guī)模和混合型EB-PBF技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。近年來(lái)，EB-PBF產(chǎn)業(yè)在科學(xué)研究和商業(yè)應(yīng)用方面取得了快速發(fā)展。然而，該技術(shù)仍有進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)的潛力。需要進(jìn)一步研究的主要領(lǐng)域如下：

(1)擴(kuò)大規(guī)模和陣列噴槍的穩(wěn)定性：大型L-PBF設(shè)備能夠通過(guò)陣列掃描技術(shù)成型寬度超過(guò)1 米的零件，它的出現(xiàn)凸顯了在EB-PBF方面取得進(jìn)步的必要性。與激光設(shè)備相比，電子槍的陰極壽命和穩(wěn)定性相對(duì)較短，因此需要進(jìn)一步研究EB-PBF設(shè)備的可擴(kuò)展性。

(2)電子槍技術(shù)：提高電子槍的加速電壓，提高電子束光斑的精度，延長(zhǎng)電子槍的使用壽命，對(duì)于EB-PBF的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)至關(guān)重要。

(3)集成化和智能自動(dòng)化：加強(qiáng)EB-PBF工藝的集成化和智能自動(dòng)化至關(guān)重要。建立一個(gè)包括粉末生產(chǎn)、零件制造和粉末回收的閉環(huán)制造生態(tài)系統(tǒng)，可以?xún)?yōu)化整個(gè)生產(chǎn)生命周期。采用工業(yè)4.0原則、實(shí)時(shí)監(jiān)控制造質(zhì)量、動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)，以及利用人工智能和大數(shù)據(jù)在打印過(guò)程中做出明智決策，可顯著提高EB-PBF的精度和效率，降低生產(chǎn)成本。

(4)模擬驅(qū)動(dòng)的工藝優(yōu)化：利用仿真能力建立預(yù)測(cè)模型，將打印參數(shù)與零件性能（包括溫度曲線、溶質(zhì)分布、冷卻速率和晶粒生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)）聯(lián)系起來(lái)，可顯著減少缺陷，加快材料開(kāi)發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)卓越的產(chǎn)品質(zhì)量。

(5)創(chuàng)新材料和工藝開(kāi)發(fā)：目前，EB-PBF可用于生產(chǎn)醫(yī)用鈦合金以及不可焊接或易產(chǎn)生裂紋的合金（如高溫合金和金屬間化合物），這凸顯了擴(kuò)大可打印材料范圍的必要性。因此，開(kāi)發(fā)用于EB-PBF的專(zhuān)用金屬粉末減少缺陷和冒煙現(xiàn)象至關(guān)重要。此外，多合金混合粉末的原位合金化和制定粉末再利用準(zhǔn)則保持質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也是需要探索的重要領(lǐng)域。

(6)理論和表征方面的進(jìn)步：創(chuàng)新的理論框架和表征技術(shù)對(duì)于更好地理解AM部件的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的相互作用至關(guān)重要。這可以加深對(duì)工藝參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)和零件性能之間錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的理解。

(7)增材/減材混合制造：目前，EB-PBF在形狀穩(wěn)定性和精度方面存在局限性，因此，除了提高形狀精度和效率外，還有必要探索混合制造模式，將電子束、超快激光和數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)。