西安赛隆金属赵培：粉床电子束3D打印技术进展与应用

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

2019年9月 20 日“增材制造工艺与装备论坛”，西安赛隆金属材料有限责任公司粉床电子束3D打印装备研发经理赵培做了主题是《粉床电子束3D打印技术进展与应用》的报告。



下面是现场速记：



各位来宾大家下午好！我来自西安赛隆金属材料有限责任公司，是我公司粉床电子束3D打印设备研发部门的负责人，我今天非常高兴跟大家沟通一下粉床电子束3D打印技术进展及应用方面的工作。



一、粉床电子束增材制造技术


粉床电子束3D打印技术在增材制造大的分类当中属于粉末床熔融的分支，与该技术最接近的是大家目前相对熟悉的激光选区熔化，这两种技术有它的共同点，都是通过粉床铺粉逐层成形，两者的区别是热源不同，工作环境不同，工艺也不尽相同。粉床电子束选区熔化是通过电子枪发射高能电子束束流来实现的，它的成形工艺分为四个部分，粉床铺粉、粉床预热、平台下降、选区熔化，在初始层还需要对基板进行加热，根据材料的不同基板设置的温度也不同。



粉床电子束3D打印技术特点，首先是在打印过程中具有粉床预热的功能，避免工艺过程中出现粉末扬起的现象，正是因为有了预热，也带来了在打印零件过程中消除零件部分应力的效果，预热温度最高可达1100℃，这种均匀预热得益于电子束高速偏转能力，高速电磁偏转器，电子束偏转速度可达8000m/s。第二个特点是电子束这种热源具有高能量转化率和高能量吸收率的特点，该技术更适合于成形高温难熔的材料。第三个特点，预热的工艺环节导致它在选区熔化的过程中，未熔融的部分是预烧结的粉末，这种粉末有一定的强度，可以代替部分支撑，在不加支撑的情况下，电子束选区熔化技术成形的零件具有较好的异形孔、横孔形状再现性能，更适合于加工一些复杂内流道及无序多孔结构。第四个特点，因为预热过程可以降低粉床、基板、零件之间的温度梯度，零件不需要过多的支撑，同时与基板的结合也比较弱，可以避免在打印完成后分离零件基板的过程中造成的二次污染，这是它的几个特点。



当然有优势就有劣势，电子束3D打印的技术受限于目前电子束斑直径的尺寸，所以成形零件尺寸精度较差，表面粗糙度较高，这是比较明显的劣势。同时完成打印后需要等待零件冷却至室温才能取出设备，也会影响整体的打印效率，这是它的一些问题。



二、西安赛隆SEBM装备及技术进展


西安赛隆金属材料有限责任公司是西北有色金属研究院控股的高新技术企业，专业从事3D打印稀有金属粉末、等离子旋转电极雾化制粉装备、粉床电子束3D打印装备与复杂零件的研发、生产和销售，建成了国内最大的3D打印稀有金属粉末生产线和粉床电子束3D打印生产线。研制出了国产首台商业化粉床电子束3D打印机，开发出了S200、Y150两种型号。在国产设备基础上，成功打印出了TC4、TiAl、、IN718、Ta、Nb和W等复杂构件，部分构件已经在航空航天等型号上获得了应用。在3D打印方面共申请专利94余项（37项已授权），牵头制定国家和行业标准8项、参与制定11项。



三、SEBM技术的应用

公司在生物医疗领域主要针对多孔钽成形工艺进行了系统的研发工作。多孔钽具有高孔隙率、低弹性模量、高摩擦系数、优异的生物相容性及软骨传导性等特征，是理想的骨科植入材料，但该金属熔点高（2996℃）、抗变形力低，在3D打印的成形过程中致密化非常困难，我们通过优化扫描策略、扫描间距、扫描速度、底板温度等核心工艺参数，不断的提高材料致密度及多孔结构的力学性能，最终零件致密度达到了96%以上，各项力学性能满足了医疗植入体的需求。工艺固化后的多孔钽样件具有90弯曲无裂纹，压缩不断裂的优秀特质。目前已经完成了16例42件钽植入体的打印，并且实现了打印零件48小时的快速响应。

在航空航天领域，重点开展了TiAl基合金、Nb合金及W、Mo合金的粉床电子束3D打印工艺开发，其中TiAl基合金通过开发成形温度闭环控制技术，已实现了该种材料复杂零件的稳定成形，样件致密度大于98%，材料无明显氧增量，X光无损检测无可见缺陷，强度大于500MPa。

小结，我们认为借助SEBM这种技术，进一步提高预热温度，优化成形工艺，可实现脆性、难熔金属材料的高品质打印。国产开源的SEBM装备在打印精度、成形效率及稳定性上的不断提升，将助推更多新材料、新结构复杂零件的开发。



谢谢大家！