天津清研智束：电子束选区熔化设备安全、环保设计

2018AMCC杭州大会的高峰论坛，“增材制造标准化及设施安全论坛”。南极熊3D打印网小编现场聆听了专家们的演讲。下面是现场速记的文字记录。

郭超：天津清研智束总经理，主题：电子束选区熔化设备安全、环保设计

    郭超：大家下午好，非常感谢主办方的邀请，有这样一个机会跟大家交流一下电子束选区熔化方面的知识。
    首先对这个技术做一个介绍，大家对电子束选区熔化了解得比较少，为什么电子束增材制造和激光增材制造比起来有几个特点。
    首先它有一个高真空的环境，第二个是电子束为能量源，第三个是铺粉逐层制造。
    （图示）这里面有一个简单的比较，我们激光已经是用得比较多了，电子束有它的特点，最大的特点是电子束的功率比较高，一般用在激光的话，激光功率不会超过一千瓦，电子束是三千瓦起步，材料对激光基本上是没有反射的，因为我们知道激光的能量会被材料反射，但是电子束没有反射的现象，绝大部分的能量被材料吸收，所以说它打印的时候效果会更高。同时打印的零部件空隙会更少，同时它是一个真空的环境，意味着对很多的材料来说有一个更高的性能。 同时又一个高真空的环境可以保护材料更少的氧化。
    另外电子束打印的时候，整体的温度非常的高，因为它有一个预热的效果，整体的预热温度可以达到1100摄氏度以上，另外电子束可以解决一些激光打印不了的材料。还有一些材料比如说铜对激光的反射非常的厉害，电子束的吸收非常的高。
    电子束选区熔化有很多的应用的方面，一个是关节方面的医疗，目前利用电子束选区熔化制造医疗体有很多的FDA的认证，因为比电子束有一个高真空的环境，对才有提存的作用，可以保证医用的安全。
    第二个钛铝合金方面，在其他的方式上会遇到一个裂纹或者说变形的问题，我们发现钛铝合金从电子束打印非常的好。
    接下来对我们的公司做一个简要的介绍。
    我们的发展历程是这样的，2004年的清华大学的导师林峰教授团队研究这项技术，并且成功研发了国内首台电子束选区熔化增材制造实验系统，并且获得了国家发明专利。从2007年到2014年这段时间里面我们也自主研发并且制造了很多台用于实验室的实验的系统。在2015年清华大学的技术开始进行成果转化，我们成立了这样一个自主科技公司，我们通过一个社会资本的对接，来完成融资，并且获得国家重点研发项目的支持。在2007年的时候我们推出了商业化的金属3D打印机。
    我们有清华大学授权使用的发明专利4项，授权国家发明专利2项目，授权使用新型专利10多项。
    LAB200的产品有一个充分开放的工艺参数的接口，3D打印目前发展非常的初步，跟其他的制造技术相比来说，比如说我们的减材制造获得铸造等材制造，我们的3D打印目前只有十几种或者说几十种，它如果也要发展的话，一定要在材料上有一个突破，我们希望有这样的一个开放的接口和更多的用户和合作伙伴打开3D打印更多的可能性，这个设备主要是针对材料的研发和小批量的生产。
    MED200新型阴，更长寿命更高精度，主要是向医疗植入体的生产制造。
    Aero350，更大成形的空间，更高成形的效率，主要是面向航空航天高端部件的制作。目前LAB有一台设备已经交互给了用户。
    我接下来对设备的技术和特点做一些介绍，首先是完全自主切片和路径规划的技术，我们现在知道很多的软件，比如说模型的切片会依赖于国外的公司，在这一块是实现了一个完全的自主化，是可以自己来进行一个切片引入路径的规划。
    第二个是创新的设计，送铺粉的模块化的社我们的真空仓室可以匹配多个送铺粉的模块，可以实现快速的更换，一方面可以响应更快的定制，二是我们认为可以从环保怎么样节约粉末，当我一台设备想使用两组粉末或者说快速的进行下一次打印的时候，我们只需要简单的把上一次打印完的东西拖出来，在外面进行后处理。
    （图示）这也是我们的专利的技术，我们的供粉采用的是主动式的供粉的方式，同时可以节省我们的材料，它里面所有的粉末都可以。
    电子束这一块的东西就相当于我们激光里面的激光器和分设的镇静，对电子束来说是电子箱和电源一套光学的系统，我们通过这个实现了电子束高效的控制，同时通过一个分时的扫描。
    我们有一个独创的网格扫描的控制，一方面提高粉床的高度，这样的话避免我们的变形巧取，我们的最高温度可以达到1100到1200度，我们希望在打印之后不需要通过CT的检测就可以发现一些潜在的缺陷呢？这里面有一个在线的监控，我们通过一个光学的相机逐层的拍摄，我们通过逐层检查打印的界面，有一个界面它可能有一个大的孔隙的话，我们可以及时地判断这个零部件有一个质量的检查。
    同时我们的设备还有一些配套的耗材（图示）
    安全和环保设计：
    对于电子束来说，你会有非常多的关于安全和环保方面的问题，因为我们在使用设备的，最重要的就是安全，所有的科技也应该是以人为本，以安全是作为第一的。
    激光有的都有，都有粉末，大家都涉及到粉末，带上口罩。这里的电子束有一个特殊的特点，它有辐射。当电子轰击一个金属材料的时候会产生一个X的射线，对人体有潜在的伤害，但是设备本身不存在伤害源的。我们在设计的时候，我们采用非常厚的不锈钢防止射线从真空室里面泄露出来，在所有的观察窗口都希望用含铅的玻璃。
    我们最终还需要在里面打印钨合金，还有在它打印的时候，所有的门都要关闭的，同时任何一个门打开的话，我的电子束要停止工作。
    射线在建厂的时候会涉及到环评，2017年年底的时候环保部发布了一个分类，三类是最低的等级，它一般人员不会产生放射性的损伤，这里面是没有电子束3D打印机的，因为那时候是非常低的设备。我们的用户直接买我们的设备是不需要报环保部审批的，但是对我们的生产的销售活动是有一个三类销售的管理。所以我们希望通过这样的机会，跟大家一起，也许下一次修订的时候，电子束3D打印设备对已经受到普遍认可的设备，也可以加入到三类设备的装置里面去，对整个行业的发展也是一个有利的动作。
    另外一个是高电压，我们对电子束加速的电压有六千千瓦，高压部分的位置在真空室上部，电子束枪，电气柜内，高压电源。
    另外一个是高温，打印的时候我们真空室特别是观察窗口这个地方，电子抢内部，线圈驱动会有一个高温，我们设计的时候外部的纬度不会超过50度，不会对人体有烫伤。
    （图示）这是一个真空室的门口，如果里面的温度高于100摄氏度的时候，你是没有办法往里面送空气的，这里面主要是为了防止烫伤，另一方面保证粉末的安全，防止它过早的时候暴露在空气中造成氧化。
    粉尘的爆炸的防护，（图示）这个是国外的图。
    吸尘器防爆真空或电动吸尘器，我们是使用ATEX21—22区防爆的吸尘器，我们现在配备两台，一种是回收真空室内的洁净的粉末。一种是清理地面的粉末，防止滑倒。同时在使用的过程中，吸尘器保持良好的接地。
    我们的设备有一个粉末回收的系统，这个是电子束3D打印完之后的状态，我们有一个专门的系统，我们叫它PRS系统，我们把零件拿到里面相当于是一个喷砂的系统，把没有熔化的粉末打掉，这些粉末它会在内部以后有一个循环，它是可以暂时利用的。经过PRS处理之后，它的粉末可以再利用。这台设备是要有防爆的要求的，我们目前希望有一个认证。在这台设备的设计和制作的时候，一定要有一个良好的接地和良好的密封，我们会把低于45微米以下的颗粒进行一个分离，它可以满足我们打印的需求，同时有更高的安全性。
    如果说这个真空抽真空的时候有一个故障，比如说忘了关门了或者说这个门没有关严，我们会自动的采取一些真空的系统。另外放电在打印的过程中经常发生的，打印的时候粉末上去会进入到产生电子的系统里面去，有的时候产生6万付的短时间的短路，这样的情况下，我们的设备会进行自动的暂停，等高压暂停以后再进行打印。
    另外在打印的时候我们怎么样实现无人值守，有一些时候我们要自动停止，比如少里面的粉用完了，我们有相应的检测的系统。比如说一些核心的部件，高压的电源，产生的故障或者说失效，它可以停止。还有冷却水的温度，会有一个自动报警的过程，这是我们从设备大量使用的时候做得考虑。
    谢谢大家！