電子束送絲金屬3D打印的重要性被低估！

電子束定向能量沉積（DED-EB/W）作為一種高效的金屬增材制造工藝，具有沉積速率高、熱變形小、能效高等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了行業(yè)兩大難題：生產(chǎn)效率和資源利用。隨著對(duì)大尺寸、高性價(jià)比零部件需求的增長(zhǎng)，電子束定向能量沉積成為媲美激光送粉增材制造技術(shù)的替代方案。

電子束送絲定向能量沉積是電子束焊接工藝的進(jìn)一步發(fā)展，該工藝在高真空環(huán)境下進(jìn)行，無需額外保護(hù)氣體即可實(shí)現(xiàn)高活性金屬增材制造。對(duì)于鈦等活性金屬，局部保護(hù)氣體通常不足以制造大型增材制造零件，因此需要使用充滿惰性氣體的腔室或真空腔室。當(dāng)前商業(yè)銷售的電子束焊接真空腔室容積可達(dá)數(shù)百立方米，而如果將其中充入保護(hù)氣體，則會(huì)導(dǎo)致零件造價(jià)極為昂貴。

在DED-EB/W工藝中，使用電子束熔化金屬絲，在基底上形成熔滴。在此過程中，部分基底材料也會(huì)熔化。通過相對(duì)于基底移動(dòng)的裝置，可以逐層構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)。這種相對(duì)移動(dòng)可以通過機(jī)器人或龍門架移動(dòng)帶有送絲裝置的電子束發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)，也可以通過多軸工作臺(tái)（x、y、z軸，可能還包括旋轉(zhuǎn)和傾斜）來實(shí)現(xiàn)。兩種方法的結(jié)合也是可行的，多軸操作和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）技術(shù)使得制造復(fù)雜的三維部件成為可能。

Pro-beam Additive 的WEBAM 100 機(jī)器，配備五軸工作臺(tái)機(jī)械裝置、外部移動(dòng)光束發(fā)生器、內(nèi)部送絲機(jī)和用于卷筒或線軸的外部送絲裝置
通過提高沉積速率來提高生產(chǎn)率

電子束技術(shù)提供了一種高功率、高能量密度的能源。例如，WEBAM 100可提供最大9kW的功率，通常足以滿足單送絲需求。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)最大1400x1300x1100mm的成型尺寸，從而能夠生產(chǎn)大型零件。

不同材料的最大沉積速率和體積速率

憑借這種功率，可以熔化相對(duì)較粗的金屬絲（直徑1.6毫米），并以較高的進(jìn)給速度制造零件。這種情況下的限制因素是最大進(jìn)給速度（12米/分鐘），高送絲速度為提高生產(chǎn)效率提供了可能。

以最大沉積速率構(gòu)建的圓柱體：a) 純銅（外徑121mm），b) Ti64（外徑116mm），c) IN718（外徑220 mm）

高沉積速率鎳基合金IN718部件的機(jī)械性能符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，與激光（DED-LB/W）和電弧（DED-ARC/W）工藝的結(jié)果相當(dāng)。

以IN718 DED-EB/W圓柱體為例，未發(fā)現(xiàn)裂紋或孔隙，顯微組織呈現(xiàn)細(xì)小的樹枝狀結(jié)構(gòu)，主要由鎳基合金面心立方γ相組成，其中可能含有拉維斯相和碳化物。熱處理改變了顯微組織，可能導(dǎo)致γ基體中析出細(xì)小、共格的盤狀γ''（Ni3Nb）相，這些析出相是熱處理提高強(qiáng)度的原因。

圓柱體頂部附近的微觀結(jié)構(gòu)，在原始狀態(tài) (a, b) 和熱處理狀態(tài) (c, d) 下，低倍 (a, c) 和高倍 (b, d) 放大倍數(shù)

控制熱變形

增材制造面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是熱致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致幾何變形。為了彌補(bǔ)這一缺陷，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)增大構(gòu)建平臺(tái)和部件的尺寸，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的翹曲。如果能開發(fā)出一種可以降低殘余應(yīng)力和熱變形的工藝，則可以顯著降低材料消耗和后處理需求，尤其是機(jī)械加工。

決定變形的最重要參數(shù)是基板厚度、引入的光束功率、送絲速度和生產(chǎn)策略（焊縫順序），以及基板的預(yù)熱溫度和絕緣性。

考慮到這些參數(shù)，可以最大限度地減少熱變形。下圖顯示了一個(gè)用于航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)部件的截面圖。盡管基板厚度僅為5毫米，但最終的熱變形小于2毫米。

用于航空航天領(lǐng)域的 DED-EB/W 結(jié)構(gòu)件 (Ti6Al4V)，該結(jié)構(gòu)件制造在 300 x 250 x 5 mm 的基板上，變形小于 2 mm。為了進(jìn)行比較并突出變形，在其下方放置了一塊 10 mm 的基板

另一種減少熱變形的方法是使用翻轉(zhuǎn)框架，該框架允許在底板的兩側(cè)構(gòu)建結(jié)構(gòu)。下圖顯示了一個(gè)構(gòu)建在連接到翻轉(zhuǎn)框架的底板上的組件。該組件在每一層構(gòu)建完成后都在高真空環(huán)境下進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)過程大約需要1分鐘。這使得后續(xù)層從另一側(cè)依次抵消了前一層的熱變形。通過這種方式，這種順序抵消顯著減少了變形。

為用于航空航天領(lǐng)域的 DED-EB/W 結(jié)構(gòu)件（Ti6Al4V），該結(jié)構(gòu)件制造在 500 x 400 x 10 mm 的基板上。a：固定在翻轉(zhuǎn)框架上的部件俯視圖。b：側(cè)視圖，展示了最小化的熱變形
提高資源效率

降低熱變形可提高DED-EB/W工藝的資源利用率。其他工藝特性也有助于提高資源利用率。如前所述，在高真空條件下運(yùn)行無需使用保護(hù)氣體，從而節(jié)約了這種資源。這不僅有利于環(huán)境，還能降低成本，尤其對(duì)于大型部件而言。

DED-EB/W資源效率更高的另一個(gè)原因是，與激光送粉DED相比，送絲DED技術(shù)產(chǎn)生的材料浪費(fèi)顯著減少。在送粉DED中，相當(dāng)一部分粉末要么從零件表面彈開，要么被保護(hù)氣體或載氣帶走，要么落在預(yù)定沉積區(qū)域之外。而線材DED則不會(huì)出現(xiàn)此類浪費(fèi)。

激光送粉3D打印

然而，增材制造總體成本和環(huán)境影響的最大因素通常是其能源消耗。電子束能量輸入到工件的效率高達(dá)90-95%。這項(xiàng)技術(shù)非常高效，因?yàn)槟芰恐苯颖还ぜ眨娮拥膭?dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能（不受空氣或光學(xué)系統(tǒng)的散射影響）。相比之下，激光束技術(shù)會(huì)因反射、散射和光學(xué)損耗而造成能量損失。這導(dǎo)致激光束焊接的效率約為30-50%。將DED-EB/W與吹粉激光DED比較，結(jié)果表明電子束工藝性能更優(yōu)，這主要是因?yàn)槠湓O(shè)備能耗顯著降低，僅為DED-LB的三分之一左右。通過生命周期評(píng)估對(duì)兩種工藝進(jìn)行直接比較表明，在所有環(huán)境指標(biāo)上，DED-LB的排放量約為DED-EB的三倍。

電子束送絲3D打印

對(duì)于銅等高反射率材料，由于能量傳遞過程的差異，DED-EB/W相比DED-LB具有更高的效率。在DED-EB/W中，電子的動(dòng)能被高效地轉(zhuǎn)化為工藝熱。相反，使用傳統(tǒng)紅外激光器照射純銅時(shí)，高達(dá)98%的激光功率會(huì)被反射并損失掉。近年來，激光器技術(shù)的進(jìn)步已將反射率降低至綠光激光器的45%和藍(lán)光激光器的30%。

提高資源利用效率的另一種方法是使用由回收材料制成的線材。然而，在基于線材的定向能量沉積（DED）工藝中，通常只使用原生（或“一次”）線材。用回收線材替代原生線材可以改善該工藝的環(huán)境足跡，同時(shí)降低材料成本。研究的一個(gè)例子是鈦合金回收線材，這是一種芯材，其結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的均質(zhì)實(shí)心原生線材有顯著差異。這種回收線材由激光束縱向焊接的原生鈦外層和由回收合金粉末制成的內(nèi)芯填充材料組成，外層和填充材料的平均成分均為Ti6Al4V。

將藥芯焊絲應(yīng)用于DED-EB/W工藝的挑戰(zhàn)在于，藥芯焊絲中滯留的氣體在真空熔化時(shí)會(huì)釋放出來并迅速膨脹，這可能導(dǎo)致工藝過程中出現(xiàn)飛濺，并在部件中產(chǎn)生孔隙。然而，通過適當(dāng)?shù)墓に嚫倪M(jìn)，可以獲得相對(duì)致密的DED-EB/W部件。使用回收鈦絲制成的部件展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)臉O限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。這些積極的結(jié)果為未來在某些應(yīng)用中使用回收焊絲進(jìn)行DED-EB/W工藝帶來了希望。

采用回收金屬絲制成的DED-EB/W壁的拋光橫截面

結(jié)論

電子束送絲定向能量沉積（DED-EB/W）為提高金屬增材制造的生產(chǎn)效率和資源利用率提供了一條極具潛力的途徑。其沉積速率高達(dá)13kg/h，能量效率接近95%，且無需保護(hù)氣體即可加工活性金屬和反射性金屬，在產(chǎn)能和環(huán)境影響方面均優(yōu)于許多現(xiàn)有的DED技術(shù)。

此外，該技術(shù)還可使用回收線材，進(jìn)一步增強(qiáng)了其優(yōu)勢(shì)。隨著可持續(xù)發(fā)展法規(guī)的日益嚴(yán)格和成本壓力的不斷增加，DED-EB/W與行業(yè)不斷變化的需求高度契合，并有望重塑人們對(duì)大規(guī)模增材制造的預(yù)期。

注：本文由3D打印技術(shù)參考譯自Metal AM相關(guān)文章，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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