增材制造模型設(shè)計（制件及后處理技術(shù)）課件 潘露 3.7 SLM工藝制件主流后處理工藝-項目8 制件質(zhì)量與機械性能檢測

3.7SLM工藝制件主流后處理工藝演講人7SLM工藝制件主流后處理工藝01〖小結(jié)〗02〖課后練習與思考〗03目錄017SLM工藝制件主流后處理工藝7.1SLM成形件后處理工藝流程如圖3-48所示，SLM工藝的后處理工藝主要有線切割、去支撐、熱處理、研磨和噴砂等。工件經(jīng)SLM工藝打印完成后，通常采用線切割將其從基板上完全剝離，需在專業(yè)的電火花線切割機床上完成操作。工件從基板剝離后留下許多支撐痕，可用打磨頭來打磨支撐痕，操作時打磨頭需來回運動，不能在某個位置停留太久，將工件突出的支撐點去除即可。SLM工藝打印的工件直接投入使用可能無法滿足工作要求，通常需要經(jīng)過熱處理工藝提高材料機械性能、消除殘余應力和改善加工性。對工件表面光順度有要求時，可在研磨機上打磨，研磨完成后用水或者酒精沖洗。若工件表面嚴重氧化，可用噴砂機去除氧化層：接通噴砂機電源，啟動噴砂機，噴砂機內(nèi)將噴出水流，水中有很多細小的沙礫，沙礫撞擊工件，將工件上的氧化層去除。噴砂完成后需將工件上的水分吹除，防止工件再次氧化。7.1SLM成形件后處理工藝流程圖3-48SLM工藝之間主流后處理工藝7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割電火花線切割(WireElectricalDischargeMachining，簡稱WEDM)屬電加工范疇，是由前蘇聯(lián)拉扎聯(lián)科夫婦研究開關(guān)觸點受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉，從而開創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。線切割機也于1960年發(fā)明于前蘇聯(lián)，我國是第一個用于工業(yè)生產(chǎn)的國家。其物理原理是自由正離子和電子在場中積累，很快形成一個被電離的導電通道。在這個階段，兩板間形成電流。導致粒子間發(fā)生無數(shù)次碰撞，形成一個等離子區(qū)，并很快升高到8000到12000度的高溫，在兩導體表面瞬間熔化一些材料，同時，由于電極和電介液的汽化，形成一個氣泡，并且它的壓力規(guī)則上升直到非常高。然后電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內(nèi)向爆炸，產(chǎn)生的動力把溶化的物質(zhì)拋出彈坑，然后被腐蝕的材料在電介液中重新凝結(jié)成小的球體，并被電介液排走。然后通過NC控制的監(jiān)測和管控，伺服機構(gòu)執(zhí)行，使這種放電現(xiàn)象均勻一致，如圖3-49所示。7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割圖3-49電火花線切割工作原理圖在編程系統(tǒng)CAD環(huán)境下，繪制零件的輪廓；完成后從CAD環(huán)境進入到CAM環(huán)境中；完成刀路軌跡的繪制，建立所需加工的零件模型，通過拾取輪廓來新建零件，設(shè)置機床加工參數(shù)，完成零件的建模之后建立程序，使用仿真功能模擬實際加工效果，最后進行后置處理，生成加工所需要的G代碼文件，接下來使用如圖3-50所示的數(shù)控電火花線切割機進行切割。7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割I(lǐng)NCLUDEPICTURE"/wikipedia/commons/thumb/f/f1/Robofil-300-WireCut.jpg/220px-Robofil-300-WireCut.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/wikiped7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割ia/commons/thumb/f/f1/Robofil-300-WireCut.jpg/220px-Robofil-300-WireCut.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/wikipedia/commons/thumb/f/f1/Robofil-300-WireCut.jpg/220px-Robofil-300-WireCut.jpg"INET圖3-50數(shù)控電火花線切割機線切割分離基板和工件是SLM工藝后處理的第一步，后續(xù)處理將根據(jù)實際需求進行，如圖3-51所示。7.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割I(lǐng)NCLUDEPICTURE"/Upload/News/2020-08/15/liuxu/1597457433129058134.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/Upload/News/2020-08/15/liuxu/1597457433127.1SLM成形件后處理工藝流程電火花線切割9058134.jpg"INETINCLUDEPICTURE"/Upload/News/2020-08/15/liuxu/1597457433129058134.jpg"INET圖3-51線切割分離SLM打印基板7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光金相磨拋機由基本部件組成,如底座、拋光板、拋光織物、拋光蓋和蓋子。電機固定在底座上,用于固定研磨拋光盤的錐套通過螺釘與電機軸連接。研磨拋光布通過套圈固定在研磨拋光板上,金相磨拋機通過底座上的開關(guān)打開電機啟動后,可以用手對樣品施加壓力,對旋轉(zhuǎn)的研磨拋光板進行研磨拋光研磨拋光過程中加入的研磨拋光液可以通過固定在底座上的塑料板中的排水管流入研磨拋光機旁邊的方板中。研磨拋光罩和罩可防止機器不使用時灰塵等雜物掉落在研磨拋光織物上,影響使用效果。除手動磨拋機外，還可以選用自動磨拋機，在合適條件下選擇自動磨拋可節(jié)省大量人力和時間，樣品質(zhì)量也更好，如圖3-52所示。7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光INCLUDEPICTURE".tw/upload_files/various-related/tnp-frx1.jpg"INETINCLUDEPICTURE".tw/upload_files/various-related/tnp-frx1.jpg"\*7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光MERGEFORMATINETINCLUDEPICTURE".tw/upload_files/various-related/tnp-frx1.jpg"INET圖3-52自動金相研磨拋光機金相磨拋機研磨拋光時,樣品研磨面和研磨拋光板應平行并均勻輕輕壓在研磨拋光板上,注意防止樣品飛出和壓力過大造成新的研磨痕跡。同時,樣品也應沿轉(zhuǎn)盤的半徑方向旋轉(zhuǎn)和來回移動,以避免拋光織物的局部磨損過快。在拋光過程中,應不斷添加微粉懸浮液,以保持拋光織物處于一定濕度。濕度會削弱磨削和拋光的磨削痕跡效應,使樣品中的硬質(zhì)相表現(xiàn)出鋼中非金屬夾雜物和鑄鐵中石墨相引起的“拖尾”現(xiàn)象。7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光如果濕度太小,樣品會因摩擦生熱而發(fā)熱,潤滑效果會降低,拋光后的表面會失去光澤,甚至會出現(xiàn)黑點,輕合金會損壞表面。為了達到粗拋光的目的,轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速要求低,不超過500轉(zhuǎn)/分鐘。研磨和拋光時間應長于去除劃痕所需的時間,因為變形層也應被去除。粗拋光后,拋光后的表面光滑,但不光滑,顯微鏡下觀察到均勻細小的磨痕,需要通過精拋光去除。在精細拋光過程中,轉(zhuǎn)盤的速度可以適當提高,研磨和拋光時間適于丟棄粗拋光的損壞層。拋光結(jié)束后,拋光后的表面像鏡子一樣明亮,在顯微鏡明亮的視野下看不到劃痕,但在相差照明的條件下仍然可以看到拋光的痕跡。一般來說，研磨用的砂紙是從低目數(shù)逐漸增加至高目數(shù)，直到滿足研磨要求，常用順序為200-400-600-800-1000-1200-1500-2000-3000-5000，根據(jù)實際情況選擇，但必須是從低到高。拋光操作時也應遵循此原則，拋光膏/噴霧粒度變化時，應將拋光布上殘余的拋光用品清洗干凈。7.1SLM成形件后處理工藝流程樣品研磨拋光金相磨拋機操作的關(guān)鍵是要獲得拋光速率,以便盡快去除拋光過程中產(chǎn)生的損壞層。同時,研磨和拋光損傷層不會影響最終觀察到的組織,即不會造成假組織。前者要求使用較粗的磨料以確保較高的拋光速率來去除拋光損傷層,但拋光損傷層也更深。后者要求使用精細材料使拋光損傷層變淺,但拋光速率低。解決這個矛盾的辦法是把研磨和拋光分成兩個階段。粗拋光的目的是去除拋光的受損層。拋光速率應在此階段設(shè)定。粗糙拋光造成的表面損傷是次要考慮因素,但也應盡可能小。第二種是精細拋光(或最終拋光),旨在消除粗糙拋光造成的表面損傷,并將磨損損傷降至最低。7.1SLM成形件后處理工藝流程噴砂工件在噴砂前應進行表面清理，常用的方法有電動打磨、溶劑清理、酸洗等，開始噴砂后利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面。采用壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料（銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海南砂）高速噴射到需要處理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形狀發(fā)生變化，由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機械性能得到改善。對SLM打印件而言，主要是去除樣品表面氧化皮和雜質(zhì)。7.2SLM成形件的熱等靜壓熱等靜壓（HotIsostaticPressing，簡稱HIP）工藝是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結(jié)和致密化。熱等靜壓是高性能材料生產(chǎn)和新材料開發(fā)不可或缺的手段，在SLM工藝熱處理中，將成形后的工件，包括鋁合金、鈦合金、高溫合金等縮松縮孔的打印件進行熱致密化處理，通過熱等靜壓處理后，打印件可以達到100%致密化，提高打印件的整體力學性能。在熱等靜壓過程中，材料在密閉容器中同時受到高溫和各方向相同的高壓的處理。施壓氣體為惰性氣體以避免與材料發(fā)生化學反應，一般用氬氣。使用惰性氣體，使材料不發(fā)生化學反應。腔室被加熱，導致容器內(nèi)的壓力增加。許多系統(tǒng)使用相關(guān)的氣泵來達到必要的壓力水平。從各個方向?qū)Σ牧鲜┘訅毫Γㄒ虼耸褂眯g(shù)語“等壓”）。熱等靜壓也被用作燒結(jié)（粉末冶金）制程和金屬基復合材料制造的一部分。02〖小結(jié)〗〖小結(jié)〗SLM是目前應用廣泛的一種金屬增材制造工藝。SLM技術(shù)的基本原理是：先在計算機上利用SolidWorks、UG、CATIA等三維軟件設(shè)計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層處理，將處理好的模型導入SLM打印設(shè)備中，設(shè)備控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。主要流程為：用建模軟件創(chuàng)建模型；對模型進行切片處理；將模型導入打印設(shè)備添加支撐并設(shè)置好各項打印參數(shù)；開始打印以及打印完成后對打印件進行后處理。03〖課后練習與思考〗〖課后練習與思考〗STEP03STEP01STEP021.SLM打印工作流程是什么？2.SLM打印及打印件后處理過程中需要注意哪些問題？3.利用手中現(xiàn)有的模型，利用SLM打印設(shè)備打印模型并作后處理。謝謝4.1SLS工藝增材制造技術(shù)基本概念演講人QUOTE（4-1）01QUOTE（4-3）02QUOTE（4-2）03QUOTE（4-4）04目錄1.1SLS工藝原理選擇性激光燒結(jié)是快速原型制造技術(shù)的一個重要組成部分，它以激光作為熱源，通過將零件的三維CAD模型進行分層切片處理，獲得每一層的截面輪廓信息后，再由計算機控制激光束對每一層截面進行掃描燒結(jié)，經(jīng)過逐層疊加，最終得到三維功能零件或產(chǎn)品。SLS技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4-1所示，整個設(shè)備由激光器、光路系統(tǒng)、成形腔、缸體升降系統(tǒng)、預熱系統(tǒng)，氣氛保護系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)七大部分組成，其基本制造過程如下：1）設(shè)計建造零件CAD模型；2）將模型轉(zhuǎn)化為STL文件（即將零件模型以一系列三角形來擬合）；3）將STL文件進行橫截面切片分割；4）激光根據(jù)零件截面信息逐層燒結(jié)粉末，分層制造零件；5）對零件進行清粉等處理。1.1SLS工藝原理SHAPE圖4-1SLS成形過程SLS成形過程中，激光束每完成一層切片面積的掃描，工作缸相對于激光束焦平面（成形平面）相應地下降一個切片層厚的高度，而與鋪粉輥同側(cè)的儲粉缸會對應上升一定高度，該高度與切片層厚存在一定比例關(guān)系。1.1SLS工藝原理隨著鋪粉輥向工作缸方向的平動與轉(zhuǎn)動，儲粉缸中超出焦平面高度的粉末層被推移并填補到工作缸粉末的表面，即前一層的掃描區(qū)域被覆蓋，覆蓋的厚度為切片層厚，并將其加熱至略低于材料玻璃化溫度或熔點，以減少熱變形，并利于與前一層面的結(jié)合。隨后，激光束在計算機控制系統(tǒng)的精確引導下，按照零件的分層輪廓選擇性地進行燒結(jié)，使材料粉末燒結(jié)或熔化后凝固形成零件的一個層面，沒有燒過的地方仍保持粉末狀態(tài)，并作為下一層燒結(jié)的支撐部分。完成燒結(jié)后工作缸下移一個層厚并進行下一層的掃描燒結(jié)。如此反復，層層疊加，直到完成最后截面層的燒結(jié)成形為止。當全部截面燒結(jié)完成后除去未被燒結(jié)的多余粉末，再進行打磨、烘干等后處理，便得到所需的三維實體零件。如圖4-1所示，激光掃描過程、激光開關(guān)與功率控制、預熱溫度以及鋪粉輥、粉缸移動等都是在計算機系統(tǒng)的精確控制下完成的。1.1SLS工藝原理SLS最大的優(yōu)勢在于材料的適應面廣、無需支撐。從原理上看，只要經(jīng)激光照射后熔化并使得原子間出現(xiàn)黏結(jié)的粉末均合適，如有機聚合粉末、金屬粉末和陶瓷粉末等，且材料粉末的價格低廉、成本較低。此外，SLS打印過程使用的打印材料無浪費、也不需要設(shè)計和打印支撐、成形與零件復雜程度無關(guān)、能生產(chǎn)硬度較大的模具，因而得到了廣泛的關(guān)注。SLS技術(shù)特點可以歸納為以下幾點。(1)材料適應面廣且成本低，利用率高。打印過程中使用的材料若未被燒結(jié)，則可以重新利用機器過篩后回收利用，使得打印粉末材料的利用率相比其他制造方式更高。(2)無需支撐結(jié)構(gòu)且制造柔性化。在SLS燒結(jié)過程中，成形件附件沒有被燒結(jié)的粉末材料可以作為成形件的有力支撐，所以在打印成形件的一些懸空或鏤空的部位時，也不需要支撐結(jié)構(gòu)，因此也就減少了后期去除成形件支撐的步驟。同時由于無需打印支撐結(jié)構(gòu)，SLS可以打印出任何結(jié)構(gòu)復雜的成形件，因此對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜的成形件的打印制造，具有相比于傳統(tǒng)制造方式無法比擬的優(yōu)點。1.1SLS工藝原理(3)設(shè)計和生產(chǎn)的周期短。從模型設(shè)計到產(chǎn)品的生產(chǎn)制造僅用數(shù)個小時就能完成，制造的整個流程完全被數(shù)字化控制，可以根據(jù)自身的要求隨時對打印的模型進行修改與改進，減少了產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的時間。(4)應用范圍廣。由于SLS技術(shù)的選材廣泛、制造柔性化，也可以與傳統(tǒng)鑄造工藝相結(jié)合，能夠迅速的進行小批量零件的加工、模具的制造和型殼鑄造等，從而使得SLS技術(shù)在眾多領(lǐng)域有著的應用。1.2SLS工藝激光燒結(jié)機理燒結(jié)一般是指將粉末材料變?yōu)橹旅荏w的過程。Kruth等人根據(jù)成形材料不同，將SLS燒結(jié)機理主要分為固相燒結(jié)、化學反應連接、完全熔融和部分熔融。固相燒結(jié)一般發(fā)生在材料的熔點以下，通過固態(tài)原子擴散（體積擴散、界面擴散或表面擴散）形成燒結(jié)頸，然后隨著時間的延長，燒結(jié)頸長大進而發(fā)生固結(jié)。這種燒結(jié)機理要求激光掃描的速度非常慢，適用于早期SLS成形低熔點金屬和陶瓷材料。化學反應連接是指在SLS成形過程中，通過激光誘導粉末內(nèi)部或與外部氣氛發(fā)生原位反應，從而實現(xiàn)燒結(jié)。例如，Slocombe等人采用SLS成形TiO2、Al和C的混合粉末，通過激光引發(fā)的放熱反應得到TiC-Al2O3復合陶瓷。完全熔融和部分熔融是SLS成形高分子材料的主要燒結(jié)機理。完全熔融是指將粉末材料加熱到其熔點以上，使之發(fā)生熔融、鋪展、流動和熔合，從而實現(xiàn)致密化。1.2SLS工藝激光燒結(jié)機理半晶態(tài)高分子材料熔融黏度低，當激光能量足夠時，可以實現(xiàn)完全熔融。部分熔融一般是指粉末材料中的部分組分發(fā)生熔融，而其他部分仍保持固態(tài)，發(fā)生熔融的部分鋪展、潤濕并連接固體顆粒。其中低熔點的材料叫做粘接劑（Binder），高熔點的稱為骨架材料（Structurematerial）。利用SLS間接法制備金屬、陶瓷構(gòu)件的過程中，采用高分子材料作為粘接劑均采用了此機理。部分熔融也發(fā)生在單相材料中，如非晶態(tài)高分子材料，在達到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，由于其熔融黏度大，只發(fā)生局部的粘性流動，流動和燒結(jié)速率低，呈現(xiàn)出部分熔融的特點。另外，當激光能量不足時，半晶態(tài)高分子粉末中的較大顆粒很難完全熔融，也表現(xiàn)為部分熔融。1.2SLS工藝激光燒結(jié)機理與注塑成形等傳統(tǒng)的高分子加工方法不同，SLS成形是在零剪切作用力的狀態(tài)下進行的，燒結(jié)的驅(qū)動力主要來自于表面張力。許多學者就SLS過程中的燒結(jié)動力學開展了實驗與理論研究。粘性流動是高分子燒結(jié)的主要燒結(jié)機理，F(xiàn)renkel和Eshelby等人最早提出粘性流動理論來解釋粉末的燒結(jié)過程，該理論認為粘性流動的驅(qū)動力來自于熔體的表面張力，而材料的熔融黏度則是其燒結(jié)的阻力。該模型可以簡化為兩等半徑球形顆粒的等溫燒結(jié)過程，如圖4-2所示，假設(shè)兩顆粒點接觸t時間后形成一個圓形的接觸面，即燒結(jié)頸，由此可以推導出燒結(jié)過程的控制方程：1.2SLS工藝激光燒結(jié)機理01QUOTE（4-1）QUOTE（4-1）式中，a0為粉末顆粒的半徑，γ為熔體的表面張力，η為熔體的黏度。Rosenzweig等人通過PMMA顆粒的燒結(jié)過程驗證了Frenkel模型的可行性，Brink等人進一步闡明Frenkel模型同樣適用于半晶態(tài)高分子粉末的燒結(jié)過程。然而該模型沒有考慮在燒結(jié)過程中顆粒的大小變化，因此只適用于燒結(jié)的初始階段。Pokluda等人考慮到燒結(jié)速率隨燒結(jié)頸大小的動態(tài)變化，將式4-2修正為：QUOTE（4-1）02QUOTE（4-2）QUOTE（4-2）03QUOTE（4-3）QUOTE（4-3）式中x為燒結(jié)頸半徑，a為粉末顆粒的動態(tài)半徑。圖4-2兩等半徑球形液滴的粘性流動模型然而，以上燒結(jié)模型均只描述了兩個顆粒在等溫條件下的燒結(jié)過程，而SLS是大量粉末無序堆積而成的粉末床燒結(jié)，且激光燒結(jié)也是非等溫的燒結(jié)過程。因此Sun等人提出燒結(jié)立方體模型來描述SLS成形過程中粉床的致密化過程，燒結(jié)速率可以用燒結(jié)頸半徑隨時間的變化率來表示：QUOTE（4-3）04QUOTE（4-4）QUOTE（4-4）其中，ξ為參與燒結(jié)的顆粒所占的比例，ξ取值范圍為0~1，代表任意兩個粉末顆粒形成一個燒結(jié)頸的幾率。ξ=1時，代表所有的粉末顆粒都燒結(jié)。ρ為粉床的相對密度。從以上SLS成形的燒結(jié)動力學分析可以得出，粉末的致密化速率與材料的表面張力γ成正比，與材料的熔融黏度η和顆粒半徑a成反比。謝謝4.2發(fā)展歷史及現(xiàn)狀演講人2發(fā)展歷史及現(xiàn)狀SLS是一種選材廣泛、柔性度高的增材制造技術(shù)，被美國德克薩斯大學的C．R．Dechard在1989年首次研發(fā)出。由于其制造工藝簡單快速、原材料范圍廣、制造靈活等，已迅速被應用于制造業(yè)的各個方面，并成為打印制造技術(shù)重要發(fā)展方向之一。在SLS的商業(yè)化方面，目前美國的3DSystem公司和德國的EOS公司仍處于主導地位。3DSystem公司的前身為始建于1987年的美國德克薩斯奧斯汀DTM公司。DTM公司擁有有多項SLS技術(shù)專利，于1992年推出Sinterstation2000系列商品化SLS成形機，隨后分別于1996年、1998年推出了經(jīng)過改進的SLS成形機Sinterstation2500、Sinterstation2500plus，同時開發(fā)出多種燒結(jié)材料，可直接制造蠟模及塑料、陶瓷和金屬零件。該公司于2001年被3D公司收購后，于2004年推出了新一代SinterstationHiQ成形機，目前3D公司擁有了最先進的SLS技術(shù)。2發(fā)展歷史及現(xiàn)狀另一方面，德國EOS成立于1989年，同樣在SLS技術(shù)方面占有主導地位。1994年EOS公司先后推出了三個系列的SLS成形機：燒結(jié)熱塑性塑料粉末的EOSINTP，用于制造塑料功能件及熔模鑄造和真空鑄造的原型；直接燒結(jié)金屬粉末的EOSINTM，用于制造金屬模具和零件：直接燒結(jié)樹脂砂的EOSINTS，用于制造復雜的鑄造砂型的砂芯。EOS公司不斷致力于通過改進硬件和軟件來提高成形速度，成形精度，加工尺寸，簡化操作，從而使得市場所占比例也逐漸擴大。與國外針對選擇性激光燒結(jié)領(lǐng)域的研究相比，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究雖然起步稍晚，但發(fā)展也較為迅速。國內(nèi)從1994年開始研究SLS技術(shù)，北京隆源公司推出了用于熔模鑄造的系列成形設(shè)備，其中采用C02激光器燒結(jié)塑料粉末，分層厚度在0.08mm與0.3mm之間，成形材料包括精鑄模料、樹脂砂和工程塑料等，金屬件采用光纖激光器，2發(fā)展歷史及現(xiàn)狀分層厚度可以低至0.02mm，成形的金屬材料包括不銹鋼、模具鋼、鈦合金和鈷鉻合金等；華中科技大學也研發(fā)了以覆膜砂和聚苯乙烯(Polystyrene，簡稱PS)為材料的一系列成形設(shè)備；南航開發(fā)了RAP-I系列的SLS成形系統(tǒng)。近年來從事SLS技術(shù)研究的高校和研究部門如雨后春筍，蓬勃發(fā)展，主要有：華中科技大學、西安交通大學、清華大學、南京航空航天大學激光快速成形研究中心、北京航空航天大學、大連理工大學、華北工學院、西南交通大學等高校等研究機構(gòu)。謝謝4.3SLS工藝金屬打印應用領(lǐng)域演講人013SLS工藝金屬打印應用領(lǐng)域3SLS工藝金屬打印應用領(lǐng)域SLS技術(shù)能夠制造大型、復雜結(jié)構(gòu)的非金屬零件，主要用于制造砂型鑄造用的砂型（芯）、陶瓷芯、精密鑄造用的熔模和塑料功能零件。目前已被廣泛應用于航天航空、機械制造、建筑設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療、汽車和家電等行業(yè)。3.1鑄造砂型（芯）成形SLS技術(shù)可以直接制造用于砂型鑄造的砂型（芯），從零件圖樣到鑄型（芯）的工藝設(shè)計，鑄型（芯）的三維實體造型等都是由計算機完成，而無須過多考慮砂型的生產(chǎn)過程。特別是對于一些空間的曲面或者流道，用傳統(tǒng)方法制造十分困難。傳統(tǒng)方法制造鑄型（芯）時，常常將砂型分成幾塊，然后將砂芯分別拔出后進行組裝，因而需要考慮裝配定位和精度問題。而用SLS技術(shù)可實現(xiàn)鑄型（芯）的整體制造，不僅簡化了分離模塊的過程，鑄件的精度也得到提高。因此，用SLS技術(shù)制造覆膜砂型（芯），在鑄造中有著廣闊的前景。如圖4-3所示為利用SLS技術(shù)制造的覆膜砂型（芯）的典型例子。3.1鑄造砂型（芯）成形SHAPE圖4.3SLS成形的砂型及其鑄件3.2鑄造熔模的成形鑄造過程中鑄型的制造是成形過程中的一個周期較長和工藝較復雜的過程，零件的形狀結(jié)構(gòu)和尺寸數(shù)據(jù)的變化都會對鑄型（鑄模）的設(shè)計、制造和裝配產(chǎn)生較大的影響。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）可以實現(xiàn)將零件的CAD模型直接轉(zhuǎn)化成零件原型，該零件原型經(jīng)過后處理之后能直接應用于熔模精密鑄造。將選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）與傳統(tǒng)鑄造結(jié)合起來，將提高鑄造的柔性，快速的生產(chǎn)鑄件，滿足新產(chǎn)品的試制和小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。此外SLS技術(shù)采用的是數(shù)字化技術(shù)，排除了人為因素的干擾，制造的蠟模質(zhì)量穩(wěn)定可控，同時不存在使用壽命的約束，可連續(xù)生產(chǎn)，節(jié)約了成本。如圖4-4所示為SLS技術(shù)制備的熔模，以及用其澆鑄的鋁合金鑄件。3.2鑄造熔模的成形SHAPE圖4-4SLS成形的熔模及其鑄件3.3高分子功能零件的成形高分子材料作為新型功能材料，在21世紀得到了廣泛的應用和發(fā)展，為獲得更高性能和應用價值，常采用SLS技術(shù)成形高分子聚合物燒結(jié)件。其中最頻繁的高分子原料是聚酰胺（尼龍）基復合材料，填充陶瓷材料或金屬材料。如采用鋁填充聚酰胺基質(zhì)可獲得具備金屬外觀、精加工性能和高硬度的SLS燒結(jié)件。用于SLS成形的材料主要是熱塑性高分子及其復合材料。熱塑性高分子又可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩種，由于晶態(tài)和非晶態(tài)高分子在熱性能上的決然不同，造成了它們在激光燒結(jié)參數(shù)設(shè)置及制件性能上存在巨大的差異。直接制造是指通過SLS成形的高分子制件具有較高的強度，可直接用作塑料功能件。一般晶態(tài)高分子的預熱溫度略低于其熔融溫度，激光掃描后熔融，溶體粘度較低，燒結(jié)速率快，成形件的致密度可以達到90%以上，成形件的強度較高，可直接用作功能零件。用于SLS的典型晶態(tài)高分子包括尼龍-12、聚丙烯等。SLS直接成形的尼龍功能零件如圖4.5所示。3.3高分子功能零件的成形SHAPE圖4-5SLS成形尼龍零件間接制造是指通過SLS成形的高分子制件強度較低，需要浸滲樹脂等后處理工藝來提高其力學性能，從而用作強度要求不高的塑料功能件。非晶態(tài)高分子的預熱溫度一般接近其玻璃化溫度，激光掃描后高分子超過去玻璃化溫度，但是其黏度很大，燒結(jié)速率慢，制件的致密度和強度非常低。常用于SLS成形的非晶態(tài)高分子包括聚苯乙烯、聚碳酸酯等。如圖4-6所示為SLS間接成形的塑料功能件。3.3高分子功能零件的成形圖4-6經(jīng)后處理增強后處理的SLS功能零件3.4生物醫(yī)學SLS技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域同樣具有重大的應用價值。SLS技術(shù)通過計算機輔助設(shè)計，可個性化定制具有復雜結(jié)構(gòu)的三維通孔組織支架和生物植入體，有效控制孔隙率、孔型、孔徑及外形結(jié)構(gòu)，其中主要包括解剖模型、植入件、生物組織、人造骨骼等。其中人造骨骼技術(shù)作為21世紀最具價值的研究之一，已經(jīng)逐步得到了臨床醫(yī)學的認可。SLS燒結(jié)件具有靈活性、生物相容性、易加工性等優(yōu)勢，有望能夠在生物醫(yī)學領(lǐng)域得到應用與推廣隨著SLS技術(shù)的改進與發(fā)展，SLS燒結(jié)件開始應用于心臟組織、多孔組織、骨組織工程等。尤其是在骨組織工程領(lǐng)域，取得了較大的研究進展。采用多孔3D支架可為骨組織修復提供必要的環(huán)境，且能夠?qū)崿F(xiàn)組織生長，3D模型及SLS生產(chǎn)支架如圖4-7所示。3.4生物醫(yī)學SHAPE3.4生物醫(yī)學圖4-73D模型((a)-(b)-(c)-(d))和對應的SLS加工支架((c)-(e)-(f)-(g))。(a)、(e)：多孔相連的圓柱；(b)、(f)：多孔相連的正方體；(c)、(g)：三層疊加結(jié)構(gòu)；(d)、(h)：人體骨小梁組織；謝謝4.4設(shè)備主要構(gòu)成演講人014設(shè)備主要構(gòu)成4設(shè)備主要構(gòu)成SLS設(shè)備的核心器件主要包括CO2激光器、振鏡掃描系統(tǒng)、粉末傳送系統(tǒng)、成形腔、氣體保護系統(tǒng)和預熱系統(tǒng)等。CO2激光器SLS設(shè)備采用CO2激光器，波長為10.6μm，激光束光斑直徑為0.4mm。CO2激光器中，主要的工作物質(zhì)由CO?，N2，He三種氣體組成。二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器。放電管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮氣，一般還有少量的氫或氙氣）。CO?激光器的激發(fā)條件：放電管中，通常輸入幾十毫安或幾百毫安的直流電流，放電管中的混合氣體內(nèi)的N2分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到激發(fā)的N2分子便和CO?分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO?分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。振鏡掃描系統(tǒng)SLS振鏡掃描系統(tǒng)與LOM激光振鏡掃描系統(tǒng)類似，由光學反射鏡片、X-Y光學掃描頭和電子驅(qū)動放大器組成。電腦控制器提供的信號通過驅(qū)動放大電路來驅(qū)動光學掃描頭，來使X-Y平面控制激光束的偏轉(zhuǎn)。粉末傳送系統(tǒng)如圖4-8所示，SLS設(shè)備送粉通常采用兩種方式，一種是上落粉方式，即將粉末置于機器上方的容器內(nèi)，通過粉末的自由下落完成的粉末的供給；另一種是粉缸送粉方式，即通過送粉缸的升降完成粉末的供給。鋪粉系統(tǒng)也有刮刀和鋪粉輥兩種方式。圖4-8兩種不同的粉末傳送系統(tǒng)成形腔激光進行粉末成形的封閉腔體，主要由工作缸和送粉缸等組成，缸體可以沿Z軸上下移動，如圖4-9所示。圖4-9成形腔結(jié)構(gòu)圖氣體保護系統(tǒng)在成形前通入成形腔內(nèi)的惰性氣體（一般為N2或Ar），可以減少成形材料的氧化降解，保持工作臺面溫度場的均勻性。預熱系統(tǒng)在SLS成形過程中，工作缸中的粉末通常要被加熱到預熱溫度。在預熱溫度附近，粉末燒結(jié)產(chǎn)生的收縮應力會盡快松弛，從而減小了SLS制件的翹曲變形。一般來說，SLS制件的翹曲變形隨預熱溫度的升高而降低，但是預熱溫度不能太高，否則會造成粉末結(jié)塊，使成形過程終止。在SLS成形過程中，非晶態(tài)聚合物粉末的預熱溫度不能超過Tg，為了減小SLS成形件的翹曲，通常略低于Tg，因為對于非晶態(tài)聚合物，在玻璃化溫度（Tg）時，大分子鏈段運動開始活躍，粉末開始粘接、流動性降低。并且晶態(tài)高分子的預熱溫度要低于熔融開始溫度Tms。謝謝4.5案例：SLS工藝打印制件演講人5案例：SLS工藝打印制件選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可以使用覆膜砂、金屬粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等材料進行燒結(jié)成形，具有成本低、周期短、產(chǎn)品多樣化等特點。激光燒結(jié)可以大大縮短公司新產(chǎn)品試制的周期，并且非常適合小批量鑄件的生產(chǎn)。此處主要列舉了在鑄造生產(chǎn)中激光燒結(jié)技術(shù)的應用案例。用選區(qū)激光燒結(jié)SLS成形機打印編鐘PS“蠟?！钡倪^程編鐘作為古代重要的打擊樂器，其形狀復雜，模具設(shè)計和加工的難度較大，時間周期長，投入成本大。利用選區(qū)激光燒結(jié)SLS成形機YBRP-360的3D打印設(shè)備直接打印出PS“蠟?！保瑳]有了模具設(shè)計和加工的環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量的時間和費用。傳統(tǒng)的方法制造，模具設(shè)計制造周期約2個月，費用20萬；用SLS的方法，熔模成形時間2天，制殼和鑄造過程約7天，比傳統(tǒng)方法節(jié)約了2個月。以下為詳細過程：（1）將編鐘3D模型以STL格式輸入選擇性激光燒結(jié)成形機，對PS塑料粉末進行激光掃描燒結(jié)疊層堆積成形，即可得到PS“蠟?！?。如圖4-10為YBRP-360設(shè)備和打印完成的PS“蠟模”5案例：SLS工藝打印制件圖4-10YBRP-360和PS“蠟?！保?）用毛刷或壓縮空氣清理干凈PS“蠟?！北砻娴挠喾?，然后將其浸入60℃左右的醫(yī)用低溫蠟液中進行滲蠟，使蠟液滲入3D打印堆疊成形的PS“蠟?！狈哿系目障吨校栽黾?D打印PS“蠟?！钡臋C械性能。如圖4.11為滲蠟后表面光滑的PS“蠟?！?案例：SLS工藝打印制件圖4-11滲蠟后表面光滑的PS“蠟?！保?）在編鐘蠟模上焊接澆注系統(tǒng)，將編鐘“蠟?！苯棵鎸幽突鹜苛虾髮苛稀跋災！比錾?。如圖4-12為撒沙后硬化的編鐘外殼5案例：SLS工藝打印制件圖4-12已硬化的面層模殼（1）模殼再經(jīng)過兩次的涂料、撒砂處理，硬化之后用鐵絲緊固模殼。如圖4-13為緊固后的模殼5案例：SLS工藝打印制件圖4-13用鐵絲緊固涂硬化后的加固層模殼（2）用熔銅液澆注編鐘青銅鑄件。之后進行清砂處理，就會得到一個編鐘鑄件，最后再對編鐘表面進行還原上色處理。如圖4-14為編鐘鑄件和編鐘進行上色處理后的最終效果。5案例：SLS工藝打印制件圖4.14左側(cè)為清砂處理后的鑄件；右側(cè)為還原上色后的效果謝謝4.6SLS工藝之間主流后處理工藝演講人016SLS工藝之間主流后處理工藝6SLS工藝之間主流后處理工藝由于SLS成形過程及材質(zhì)本身等因素，成形件易存在裂紋、致密度低、變形、表面粗糙及強度差等缺陷。因此需要對SLS成形件進行后處理，改善成形件的精度，提高燒結(jié)件的致密化程度和機械性能。目前常見的后處理方式包括熱等靜壓、高溫燒結(jié)等，后處理主要分為四個階段：清粉處理、脫脂、燒結(jié)成形和浸滲工藝。后處理工藝各階段的基本原理差異較大，且達到的預期效果均不同。其中清粉處理作為第一個環(huán)節(jié)，主要是采用外力（如粉刷、吹風機等）去除SLS成形件表面及工作平臺上的殘余原料粉末，避免表面粉末結(jié)塊，提高成形件表面的光滑度。脫脂主要是為了去除環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，一般采用熱脫脂技術(shù)進行處理，便于后續(xù)的高溫燒結(jié)處理。燒結(jié)成形是在助燒劑的協(xié)助下提高燒結(jié)件的強度和硬度，但該環(huán)節(jié)對材料性能影響最大，其中燒結(jié)參數(shù)（如燒結(jié)溫度、激光功率和掃描速率等）能夠顯著影響材料的力學性能和機械性能。6SLS工藝之間主流后處理工藝浸滲處理過程是通過向燒結(jié)件浸滲樹脂固化增強，提高燒結(jié)件的各項性能。借助單一環(huán)氧樹脂或纖維網(wǎng)絡環(huán)氧樹脂進行表面處理，如刷樹脂工藝，采用毛細管法能提高燒結(jié)件內(nèi)部孔道樹脂填充率，該過程有利于強化材料的理化性質(zhì)并進一步固化成形。借助不同的后處理方式可以實現(xiàn)材料性能的定向提升，此外，對于不同的材料后處理方式存在差異。(1)鑄造砂型（芯）后處理激光掃描成形砂型的初始強度較弱，其原因可能與激光束作用時間短、砂型導熱系數(shù)低和激光束輻照的最高加熱溫度不允許過高有關(guān)。層厚、材料的導熱系數(shù)以及激光束的輻照溫度(主要取決于激光束的輸出功率和掃描速度)對成形件強度有很大影響。另外，SLS成形的砂型(芯)必須進行固化，以滿足金屬鑄造的要求。6SLS工藝之間主流后處理工藝此外，由于成形過程中的臺階效應，砂型表面粗糙。對于分體式燒結(jié)的SLS模(芯)，模具型腔內(nèi)壁經(jīng)過保溫處理后可進行拋光處理，以降低型腔表面粗糙度;對于采用整體燒結(jié)的SLS型(芯)，為了提高表面質(zhì)量，需要進行涂層處理。涂層處理后，模具(芯)應干燥兩次，以去除涂層中的水分和揮發(fā)性物質(zhì)。熔模后處理由于SLS形成的熔模件氣孔率高，強度低，表面粗糙。目前廣泛采用的方法是蠟或樹脂浸潤，可以同時提高表面精度和強度，也有利于后續(xù)拋光。另外，為了滿足熔模鑄造的要求，SLS模必須在脫脂過程中完全可去除或燃盡。陶瓷和金屬部件后處理SLS成形的金屬和陶瓷部件致密度較低，目前常見的致密化技術(shù)包括滲透和等靜壓。滲透方法，包括壓力滲透、無壓滲透和真空滲透，目前已成功用于增加SLS制備部件的最終密度和強度。等靜壓是另一種致密化工藝，包括準等靜壓(QIP)、溫等靜壓(WIP)和CIP，已應用于使用外部壓力顯著增加SLS制造部件的密度。等靜壓工藝，特別是WIP和CIP，可能是顯著提高SLS制備陶瓷和金屬部件致密化的有效途徑，促進SLS技術(shù)制備高性能陶瓷和金屬部件在航空航天、國防等領(lǐng)域的應用。高分子部件后處理SLS打印生產(chǎn)的高分子零件精度高、強度好，通常用作功能零件。由于基于粉末的融合工藝的性質(zhì)，SLS打印高分子部件具有粉狀、顆粒狀的表面需要對表面進行后處理。涂層也定期添加到SLS部件中以提高性能。此外，功能性涂層有時有助于彌補SLS缺乏可行的材料等級。高分子部件后處理〖小結(jié)〗SLS技術(shù)作為最常用的RP制造技術(shù)之一，具有適用性廣、原料來源廣、制備成本低等優(yōu)點，能夠廣泛應用于金屬粉體、生物骨骼、高分子材料、無機粉體等領(lǐng)域。但同時存在燒結(jié)件硬度差、韌性差等缺陷，為此常常需要對燒結(jié)件進行后處理來提高SLS燒結(jié)件的力學性能，SLS燒結(jié)件后處理技術(shù)種類較多如高溫燒結(jié)、熱等靜壓等?！颊n后練習與思考〗高分子部件后處理SLS激光燒結(jié)工藝的常見材料有哪些，可以用于什么領(lǐng)域？2.非結(jié)晶性、半結(jié)晶性高分子在SLS成形中存在哪些差異？是什么原因造成的？高分子部件后處理SLS工藝的常見后處理工藝有哪些？4.你認為SLS有哪些瓶頸問題，有沒有可以改進的地方？如果有，該如何改進？謝謝第5章電子束選區(qū)熔化（EBSM）增材制造技術(shù)演講人電子束選區(qū)熔化（EBSM）增材制造技術(shù)01〖小結(jié)〗02〖課后練習與思考〗03目錄01電子束選區(qū)熔化（EBSM）增材制造技術(shù)1EBSM工藝增材制造技術(shù)基本概念電子束選區(qū)熔化（electronbeamselectivemelting，EBSM）技術(shù)是以高能電子束為熱源，通過控制磁偏轉(zhuǎn)線圈進行掃描成形，從而將金屬粉體熔化并迅速冷卻的過程，該過程是利用電子束與粉體之間的相互作用形成的，包括能量傳遞、物態(tài)變化等一系列物理化學過程。如圖5-1所示，EBSM使用高能電子束作為熱源，在真空條件下將金屬粉末完全熔化后快速冷卻并凝固成形，其具有能量利用率高、無反射、功率密度高、掃描速度快、真空環(huán)境無污染、低殘余應力等優(yōu)點。1EBSM工藝增材制造技術(shù)基本概念圖5-1Aream(Al)型電子束選區(qū)熔化設(shè)備示意圖=1\*GB3①電子槍=2\*GB3②聚焦透鏡=3\*GB3③反射板=4\*GB3④供粉缸=5\*GB3⑤鋪粉耙=6\*GB3⑥制件實體=7\*GB3⑦成形基板2EBSM發(fā)展歷史及現(xiàn)狀即使EBSM是在上世紀90年代發(fā)展起來的一項增材制造技術(shù)，起步較晚，但由于EBSM在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出來的潛力吸引了國內(nèi)外眾多企業(yè)及科研機構(gòu)對這項技術(shù)展開廣泛的研究。瑞典Arcam公司是世界上第一家推出EBM商業(yè)化的公司，該公司在2001年至2003期間以較快的速度完成利用電子束在粉床上制造三維零件相關(guān)專利的申請到開發(fā)原型機，然后實現(xiàn)EBM裝備真正商業(yè)化。隨后改進設(shè)備，又陸續(xù)推出了A1、A2、A2X、A2XX、Q10、Q20等不同型號的EBSM設(shè)備。目前，Arcam公司不僅僅局限于制造商業(yè)化EBSM成形設(shè)備，同時向客戶提供應用于醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域的配套球形金屬粉末，拓展其在EBSM的業(yè)務。2EBSM發(fā)展歷史及現(xiàn)狀除瑞典Arcam公司外，我國清華大學、西北有色金屬研究院、上海交通大學也開展了EBSM成形裝備的研制。特別是在2004年時，清華大學機械工程系申請了我國最早的EBSM成形裝備專利，在粉末鋪設(shè)系統(tǒng)、電子束掃描控制系統(tǒng)等技術(shù)上實現(xiàn)突破，研制出EBM-15、EBM-250等原型機。同時天津清研智束科技有限公司在清華大學及天津高端裝備研究院的基礎(chǔ)上進行EBM裝備研發(fā)，其2018年發(fā)布的QbeamLab200、QbeamMed200、QbeamAreo350分別為研究機構(gòu)、醫(yī)療植入體領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域在新材料的研發(fā)和EBSM工藝開發(fā)提供了有力幫助，能夠提供更高的制造精度和生產(chǎn)效率。2EBSM發(fā)展歷史及現(xiàn)狀EBSM設(shè)備的研發(fā)較為復雜，涉及光學（電子束）、機械、自動化控制及材料等領(lǐng)域，因此EBSM設(shè)備在自動化程度、智能化程度、成形尺寸和成形精度方面仍具有較大改進空間。目前使用EBSM裝備時仍需專業(yè)人員進行不同流程的處理無法集合為一個輔助系統(tǒng)，以較低的成本實現(xiàn)各個流程的可靠性和效率，提高裝備的自動化水平，讓EBSM工藝一鍵操作成為可能。在EBSM成形過程中面臨較多實驗因素的影響，打印失敗風險高，因此若能通過對打印過程實時監(jiān)控，如通過熱成像設(shè)備對表面溫度場進行聚球、裂紋等分析，及時自動調(diào)整工藝參數(shù)，可實現(xiàn)智能化制造。目前EBSM裝備受限于電子束的束斑質(zhì)量隨偏轉(zhuǎn)角度的增加會快速下降、無法將粉床均勻預熱至指定溫度等，最大成形尺寸仍停留在ArcamAB公司制造的Q20plux以及清研智束研制的QBeamAero。通過縮小電子束的束斑大小或?qū)⒓す庖隕BSM設(shè)備也將會是未來利用EBSM提高構(gòu)件表面精度的主要方向。3設(shè)備的主要構(gòu)成瑞典的Arcam公司是最早研發(fā)并商業(yè)化應用電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備的公司，該公司擁有EBSM設(shè)備多項核心專利，是目前全球最大的EBSM設(shè)備廠家。此外，國內(nèi)清華大學是最早研制EBSM設(shè)備的機構(gòu)，其附屬公司清研智束與Acram公司是目前全球唯二的EBSM設(shè)備制造與銷售企業(yè)。EBSM設(shè)備主要包括電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、成形及鋪粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的幾個部分。以下為各部分具體組成、功能及特點。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.1電子槍系統(tǒng)電子槍系統(tǒng)是EBSM設(shè)備產(chǎn)生電子束的核心部件，是影響EBSM零件成形質(zhì)量的直接因素。電子槍系統(tǒng)主要由電子槍、高壓電源、聚束線圈和偏轉(zhuǎn)線圈構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)及功能如下。電子槍由主要由陰極、陽極、柵極以及線圈構(gòu)成。陰極溫度很高產(chǎn)生電子與陽極一起構(gòu)成加速電場；柵極與線圈則是控制束流；根據(jù)加熱的方式的不同，電子槍分為（1）直熱式電子槍，在燈絲上施加大電流，產(chǎn)生電阻熱加熱燈絲；（2）間熱式電子槍，通過在電子槍上層增加一個小型直熱式電子槍，發(fā)射電子束加熱陰極材料；（3）激光加熱陰極電子槍，利用低功率激光加熱陰極到指定溫度。高壓電源是EBSM設(shè)備的能量源，它通過內(nèi)部的逆變和升壓系統(tǒng)，將380V-50Hz的普通工業(yè)用交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?0KV高壓直流電。同時提供控制電壓與反饋控制來維持束流穩(wěn)定并快速響應束流變化。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.1電子槍系統(tǒng)1柵極是由金屬細絲組成的篩網(wǎng)狀或螺旋狀電極，位于最靠近陰極的地方插在電子管另外兩個電極之間，起到控制板極電流強度、改變電子管性能的作用。2聚束線圈由兩部分以上組成，連同電位器成星形連接，恒流源供電。這樣便可以在保持電子束聚焦的條件下用電位器調(diào)整光柵的方位角。3偏轉(zhuǎn)線圈是由一對水平線圈和一對垂直線圈組成的，圈數(shù)相同形狀一致互相串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成。線圈的形狀按要求設(shè)計、制造而成。當分別給水平和垂直線圈通以一定的電流時，兩對線圈分別產(chǎn)生一定的磁場。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.2真空系統(tǒng)由于電子束只有在真空環(huán)境下才能產(chǎn)生，真空系統(tǒng)是EBSM設(shè)備運行的前提。真空系統(tǒng)由密封腔、多級真空泵、惰性氣體回填裝置及其控制系統(tǒng)構(gòu)成，其作用是創(chuàng)造并維持設(shè)備內(nèi)真空環(huán)境。多級真空泵主要包括機械泵、分子泵和擴散泵，在啟動時先由機械泵抽出腔內(nèi)空氣達到10Pa，隨后啟動分子泵或擴散泵進一步降低氣壓至10-3Pa以下，最后通惰性氣體是氣壓保持在0.1Pa左右?；靥疃栊詺怏w一方面防止合金氧化，另一方面抑制金屬在高能束作用下氣化防止吹粉。此外，真空室中通常還需要設(shè)置觀察窗口來實時觀察成形情況。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.3成形及鋪粉系統(tǒng)成形臺面及鋪粉系統(tǒng)主要包括工作缸、儲粉缸以及鋪粉裝置構(gòu)成。工作缸體連接成形臺面，在完成一層打印后，缸體下降一個打印層厚的高度。由于EBSM具有很高的能量密度使零件在打印完成后具有很高的溫度，部分設(shè)備會在成形臺面底部設(shè)置冷卻裝置，其作用是在打印完成后平臺下降到底部，由冷卻水快速降溫便于取出零件。儲粉裝置主要包括存儲原始粉末的缸體以及收集多余粉末的集粉箱組成。儲粉缸在打印完成后上升1~1.5個層厚的高度，隨后由鋪粉裝置將粉末鋪至成形臺面進行下一層的打印，多余的粉末被鋪粉裝置推至集粉箱中打印完成后收集回收再次使用。鋪粉裝置是將粉末由儲粉缸推至成形臺面的裝置，其作用是鋪粉且壓實粉末以便打印時獲得平整無缺陷的平面，提高成形質(zhì)量。鋪粉裝置主要由刮刀和鋪粉棍兩種，與SLM設(shè)備基本相同。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.4控制系統(tǒng)EBSM設(shè)備的成形過程由計算機控制屬于數(shù)控系統(tǒng)。采用工控機作用主控單元，包括運動控制系統(tǒng)、掃描控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)等部分。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.5軟件系統(tǒng)EBSM軟件系統(tǒng)包括CAD模型處理系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)（氣壓、真空度等）等功能。商用的EBSM設(shè)備通常配有相應的軟件系統(tǒng)，通常也可進行自主開發(fā)。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.6典型EBSM設(shè)備國外最先進的EBSM設(shè)備公司即瑞典Acram公司，該公司主要到目前為止推出針對高溫易開裂材料制備的SpectraH、針對醫(yī)療器械打印的Q10plus、用于高效航空領(lǐng)域的Q20plus、大尺寸成形的SpectraL以及針對實驗探究的A2X設(shè)備，針對不同的應用領(lǐng)域具有不同的設(shè)備參數(shù)，如圖5-2所示。3設(shè)備的主要構(gòu)成3.6典型EBSM設(shè)備圖5-2Acram公司的大尺寸設(shè)備SpectraL，針對航空領(lǐng)域的Q20plus國內(nèi)最具競爭力的EBSM設(shè)備公司主要是由清華大學控股和提供技術(shù)支持的清研智束科技有限公司，該公司也提供了用于科研探究的QbeamLab、醫(yī)療領(lǐng)域的QbeamMed以及航天領(lǐng)域的QbeamAero等商用設(shè)備，如圖5-3所示。圖5-3智束公司的實驗室設(shè)備QbeamLab，航空領(lǐng)域的QbeamAero4案例：EBSM工藝打印制件EBSM是金屬增材制造技術(shù)的主流工藝之一。電子束極高的能量密度使其較其他同意在成形難熔金屬、復雜結(jié)構(gòu)、零件精度等方面具有優(yōu)勢，目前在生物醫(yī)療以及航空航天一體化、定制化成形方面等高精尖領(lǐng)域具有廣泛應用前景。4案例：EBSM工藝打印制件4.1醫(yī)療領(lǐng)域如圖5-4所示，EBSM在醫(yī)療領(lǐng)域的應用主要集中在定制化的醫(yī)療植入體方面。醫(yī)療植入體需要根據(jù)患者的骨骼結(jié)構(gòu)和缺陷進行定制化生產(chǎn)，傳統(tǒng)模具制備需要設(shè)計模具、定制模具、成形零件，生產(chǎn)周期長成本高，大大增加了醫(yī)療費用和治療周期。增材制造工藝能實現(xiàn)定制化的制造，非常適用于醫(yī)療植入體的制備。目前醫(yī)療領(lǐng)域應用最多的金屬材料是鈦合金，其具有良好的生物相容性，但同時采用激光增材制造制備具有能力密度不夠缺陷大的缺點，EBSM被認為是鈦合金增材制造的最佳工藝。國內(nèi)外研究人員通過對EBSM工藝成形致密及多孔鈦合金零件的生物相容性、耐蝕性及力學性能方面進行大量研究證明了EBSM成形鈦合金醫(yī)療植入體的可行性。目前，已實現(xiàn)EBSM對于鈦合金醫(yī)療植入體的臨床應用主要包括顱骨、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、骶骨等。采用EBSM制備的髖臼杯鈦合金醫(yī)療植入體在國外已經(jīng)進入臨床應用，國內(nèi)北京愛康宜城醫(yī)療器材股份有限公司采用EBSM制備的髖臼杯也得到了國家食品藥品監(jiān)管局的批準獲得CFDA三類醫(yī)療器械上市許可。EBSM在醫(yī)療領(lǐng)域的應用必將越發(fā)廣泛。4案例：EBSM工藝打印制件4.1醫(yī)療領(lǐng)域圖5-4Acram公司采用EBSM制備的醫(yī)療植入體4案例：EBSM工藝打印制件4.2EBSM在航空航天領(lǐng)域的應用如圖5-5所示，EBSM技術(shù)以其高效率、低成本、一體化成形復雜結(jié)構(gòu)的特點被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域。自2005年以來，美國航空航天中心的馬歇爾空間飛行中心、快速制造行業(yè)的CalRAM公司以及波音公司都先后購買了Acram公司的EBSM設(shè)備用于航空航天零部件的制造。如圖5-6（a）為莫斯科Chernyshev利用EBSM技術(shù)制造的φ267×75mm2的火箭汽輪機壓縮機承重體，總制造時間不超過30小時；如圖5-6（b）為CalRAM公司采用EBSM工藝制備的鈦合金火箭發(fā)動機葉輪，尺寸為φ140×80mm2制造時間僅為16小時；如圖5-6（c）為Acram公司EBMQ20plus制備的航空發(fā)動機部件。4案例：EBSM工藝打印制件4.2EBSM在航空航天領(lǐng)域的應用圖5-5火箭汽輪機部件、火箭發(fā)動機葉輪、航空發(fā)動機部件2016年，德國紐倫堡大學（UniversityofErlangen-Nuremberg）的研究團隊報道了他們利用EBSM制備出了致密無裂紋的第二代鎳基單晶材料CMSX-4的單晶試樣。法國的研究團隊也實現(xiàn)了單晶的打印。上述報道表明了EBSM在制備單晶渦輪葉片領(lǐng)域的應用潛力，有望解決航空航天單晶葉片的“卡脖子”問題。4案例：EBSM工藝打印制件4.2EBSM在航空航天領(lǐng)域的應用圖5-6發(fā)動機部件、低壓渦輪葉片、噴嘴EBSM有望實現(xiàn)航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵復雜零部件的低成本高效率制備。但目前對于其裝備、工藝以及電子束與材料的作用機理尚未研究徹底，目前大部分應用仍處在實驗階段，但隨著研究的不斷深入，EBSM在航空航天領(lǐng)域必將大放異彩。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域受純金屬應用的局限性，EBSM工藝的主要研究對象為合金材料，鈦合金、鎳基高溫合金，鈷鉻合金因其在航空航天，醫(yī)療行業(yè)的廣泛使用，被研究得最多，而具有極佳的導電導熱性的銅和銅合金、有超導電性的鈮也常被研究。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.1鈦合金材料及其成形工藝鈦合金具有比強度高、工作溫度范圍廣、抗蝕能力強、生物相容性好等特性，在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域應用廣泛。Ti-6Al-4V是目前EBSM成形研究使用最多的金屬材料之一。在成形Ti-6Al-4V時，粉末床預熱溫度650-700攝氏度。EBSM工藝中溫度梯度主要沿著構(gòu)件成形方向，因此EBSM成形的Ti-6Al-4V中可見沿沉積方向生長的比較粗大的柱狀晶。內(nèi)部有非常細小的圍觀組織，如圖5-7所示，為細針狀的α相和β相組成的網(wǎng)籃組織。由于掃描過程的快速凝固，β相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但是在后續(xù)的沉積過程中，材料被多次加熱，馬氏體分解為α/β相，雖然如此在試樣的頂部較薄的區(qū)域還可以看到最初形成的馬氏體組織。Antonysamy等人研究發(fā)現(xiàn)，β柱狀晶的生長方向還受構(gòu)件形狀的影響。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.1鈦合金材料及其成形工藝Harbe等人發(fā)現(xiàn)構(gòu)件尺寸、構(gòu)件擺放方向、擺放位置、能量輸入、與底板距離等都會對微觀組織的產(chǎn)生顯著影響。這些研究工作表明，EBSM在制造Ti-6Al-4V宏觀構(gòu)件的同時，有條件通過改變成形參數(shù)達到微觀組織控制的目標，從而獲得特定的性能，實現(xiàn)宏觀成形、微觀組織調(diào)控和性能控制相統(tǒng)一。圖5-7EBM成形Ti6Al4V的微觀組織5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.1鈦合金材料及其成形工藝Ti-6Al-4V的EBSM構(gòu)件的拉伸性能可達0.9-1.45GPa，延伸率12-14%，與鍛件標準相當。由于存在沿沉積方向的柱狀晶，其性能存在一定的各向異性。熱等靜壓后處理可以使構(gòu)件內(nèi)部的孔隙閉合、組織均勻化，構(gòu)件的拉伸強度有所降低，但疲勞性能得到明顯提高。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.2鎳基高溫合金材料及其成形工藝另一類是以Inconel718為代表的可焊高溫合金，預熱到700攝氏度就能夠獲得無裂紋的Inconel718制件，工藝參數(shù)范圍相對于難焊高溫合金寬很多。EBM工藝制造的Inconel718制件內(nèi)部主要為柱狀晶粒，晶粒取向與沉積方向一致，因此在力學性能上表現(xiàn)出各項異性。研究表明通過調(diào)整成形參數(shù)，可以有效控制構(gòu)件內(nèi)部組織，進而對于材料性能進行有效控制。經(jīng)過測試，經(jīng)過熱處理的Inconel718EBSM構(gòu)件可以獲得接近很好的力學性能。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.3銅和銅合金材料及其成形工藝銅和銅合金由于其極佳的導電導熱性使得其成為制造電流和熱流傳導結(jié)構(gòu)的最佳材料。增材制造因為可以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的直接制造，對于復雜換熱結(jié)構(gòu)的巨大需求使得銅及銅合金的增材制造收到很多重視。由于銅對于激光有很高的反射率，EBSM成為銅和銅合金增材制造的最合適的工藝。由于銅具有極佳的導熱性，預熱過程將會變得更短；但是由于銅非常容易熔合，所以當預熱過度時，粉末床強度過高，難以從構(gòu)件上剝離。由于銅極易氧化，所以在粉末保存和運輸過程中需要做好保護，銅粉含氧量的上升會造成構(gòu)件導熱性地下降，對應的，如果使用循環(huán)粉末，預熱參數(shù)和熔化參數(shù)需要進行增強才能達到新粉同等的粉末床溫度和成形質(zhì)量。圖9-15b是EBSM成形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)銅制件。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.4鈦鋁基金屬化合物材料及其成形工藝鈦鋁基合金，或稱鈦鋁基金屬間化合物，是一種新型輕質(zhì)的高溫結(jié)構(gòu)材料，被認為是最有希望代替鎳基高溫合金的備用材料之一。由于鈦鋁基合金室溫脆性大，采用傳統(tǒng)的制造工藝成形鈦鋁基合金比較困難。EBSM通過預熱獲得了極高的成形溫度，降低了成形過程的熱應力，具有成形鈦鋁基合金的潛力。Biamino等人的研究工作表明，EBM成形的Ti48Al2Cr2Nb鈦鋁基合金在經(jīng)過熱處理后獲得雙態(tài)組織，在經(jīng)過熱等靜壓后獲得等軸組織，材料具有與鑄件相當?shù)牧W性能。相比于傳統(tǒng)工藝成形TiAl合金，EBM成形的Ti48Al2Cr2Nb微觀組織非常細小，呈現(xiàn)明顯的快速熔凝特征。作者團隊采用多遍掃描工藝制備Ti47Al2Cr2Nb鈦鋁基合金，得到如圖12所示的細小的片層組織，片層團尺寸10-30μm。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.4鈦鋁基金屬化合物材料及其成形工藝在多遍掃描工藝中，電子束掃描熔化截面后，會重復掃描截面1-2遍，起到熱處理的作用。鈦鋁基合金的微觀組織受熱處理和冷卻速率的影響，同時也受Al元素含量的影響。EBM在高真空環(huán)境下進行，TiAl基合金中元素Al由于熔點低，在成形時會大量蒸發(fā)，造成材料的化學成分快速變化，影響制件的最終性能，因此為了實現(xiàn)制造合格鈦鋁基合金制件，需要根據(jù)Al元素的蒸發(fā)情況特殊制造原材料粉末。雖然這一現(xiàn)象給鈦鋁基材料的成形造成不便，但是也提供了一種梯度材料制造的思路，依靠調(diào)整工藝參數(shù)誘導材料中特定元素比例的下降來調(diào)控材料成分，進而實現(xiàn)材料性能的調(diào)節(jié)。5EBSM工藝金屬打印應用領(lǐng)域5.6其他金屬材料及其成形工藝鈷鉻合金，在EBSM工藝中常用的是Co-26Cr-6Mo-0.2C,具有很高的強度和硬度，是一種耐磨損，耐高溫的材料，主要用于人造關(guān)節(jié)、牙體修復、切削刀具和燃料噴嘴等易磨損器件的制造。鑄造和鍛造是此種材料的傳統(tǒng)成形方式。鈷鉻合金的SLM工藝制造已經(jīng)取得相當進展，但是EBSM研究報道還比較少。Sun等對鈷鉻合金的EBSM有系統(tǒng)的研究，鈷鉻合金構(gòu)件的質(zhì)量強烈依賴于成形參數(shù)和熱處理工藝，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?，鈷鉻合金的力學接近或者略微由于鑄件和鍛件。鈮，鈮由于潛在的超導特性備受關(guān)注，Martinez等首先通過EBSM工藝制造了鈮的試樣，與其他材料一致，鈮的顯微組織表現(xiàn)為與沉積方向平行的柱狀晶結(jié)構(gòu)，受成形過程中熱應力的影響，鈮制件中存在顯著高于鍛件的位錯密度。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.1EBSM技術(shù)冶金缺陷SEBM技術(shù)是利用高能電子束將金屬粉末熔化并迅速冷卻的過程，而該過程若控制不當，成形過程中容易出現(xiàn)“吹粉”和“球化”等現(xiàn)象，并且成形零件會存在分層、變形、開裂、氣孔和熔合不良等缺陷，這些缺陷勢必會影響制件的組織及性能。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.1.1“吹粉”現(xiàn)象“吹粉”是EBSM成形過程中特有的現(xiàn)象，它是指金屬粉末在成形熔化前即已偏離原來位置的現(xiàn)象，從而導致無法后續(xù)成形?！按捣邸爆F(xiàn)象嚴重時，成形底板上的粉末床會全面潰散，從而在成形艙內(nèi)出現(xiàn)類似“沙塵暴”的現(xiàn)象。目前國內(nèi)外對“吹粉”現(xiàn)象形成的原因還未形成統(tǒng)一的認識。一般認為，高速電子流轟擊金屬粉末引起的壓力是導致金屬粉末偏離原來位置形成“吹粉”的主要原因，然而此說法對粉末床全面潰散現(xiàn)象卻無法進行解釋。德國奧格斯堡IWB應用中心的研究小組對“吹粉”現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的研究，指出除高速電子流轟擊金屬粉末引起的壓力外，由于電子束轟擊導致金屬粉末帶電，粉末與粉末之間、粉末與底板之間以及粉末與電子流之間存在互相排斥的庫倫力(FC)，并且一旦庫倫力使金屬粉末獲得一定的加速度，還會受到電子束磁場形成的洛倫茲力(FL)。上述力的綜合作用是發(fā)生“吹粉”現(xiàn)象的主要原因。無論哪種原因，目前通過預熱提高粉末床的粘附性使粉末固定在底層，或預熱提高了導電性，使粉末顆粒表面所帶負電荷迅速導走，是避免“吹粉”的有效方法。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.1.2球化現(xiàn)象球化現(xiàn)象是EBSM和SLM成形過程中一種普遍存在的現(xiàn)象。它是指金屬粉末熔化后未能均勻地鋪展，而是形成大量彼此隔離的金屬球的現(xiàn)象。球化現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅影響成形質(zhì)量，導致內(nèi)部孔隙的產(chǎn)生，嚴重時還會阻礙鋪粉過程的進行，最終導致成形零件失敗。在一定程度上提高線能量密度能夠減少球化現(xiàn)象的發(fā)生。另外，采用預熱增加粉末的黏度，將待熔化粉末加熱到一定的溫度，可有效減少球化現(xiàn)象。對于球化現(xiàn)象的理論解釋可以借助Plateau-Rayleigh毛細不穩(wěn)定理論指出：球化現(xiàn)象與熔池的幾何形狀密切相關(guān)，在二維層面上，熔池長度與寬度的比值大于2.1時，容易出現(xiàn)球化現(xiàn)象。然而，熔融的金屬球并不是通過長熔線分裂形成的，球化現(xiàn)象的發(fā)生受粉床密度、毛細力和潤濕性等多重因素的影響。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.1.3變形與開裂復雜金屬零件在直接成形過程中，由于熱源迅速移動，粉末溫度隨時間和空間急劇變化，導致熱應力的形成。另外，由于電子束加熱、熔化、凝固和冷卻速度快，同時存在一定的凝固收縮應力和組織應力，在上述三種應力的綜合作用下，成形零件容易發(fā)生變形甚至開裂。通過成形工藝參數(shù)的優(yōu)化，盡可能地提高溫度場分布的均勻性，是解決變形和開裂的有效方法。對于EBSM成形技術(shù)而言，由于高能電子束可實現(xiàn)高速掃描，因此能夠在短時間實現(xiàn)大面積粉末床的預熱，有助于減少后續(xù)熔融層和粉床之間的溫度梯度，從而在一定程度上能夠減輕成形應力導致變形開裂的風險。為實現(xiàn)脆性材料的直接成形，在粉末床預熱的基礎(chǔ)上，可采用隨形熱處理工藝，即在每一層熔化掃描完成后，通過快速掃描實現(xiàn)緩冷保溫，從而通過塑性及蠕變使應力松弛，防止應力應變累積，達到減小變形、抑制零件開裂、降低殘余應力水平的目的。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.1.3變形與開裂除預熱溫度外，熔化掃描路徑同樣會對變形和開裂具有顯著的影響。對不同掃描路徑下成形區(qū)域溫度場的變化對制件溫度場均勻程度的影響結(jié)果表明，掃描路徑的反向規(guī)劃和網(wǎng)格規(guī)劃降低了制件制件溫度分布不均勻的程度，避免了成形過程中制件的翹曲變形。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.2主要熱處理工藝因電子選取熔化技術(shù)（EBSM）生產(chǎn)具有致密度高、成形精度高等優(yōu)勢，其零件在多數(shù)情況下可以直接使用。但對于用在航空航天等領(lǐng)域的嚴格零件，在經(jīng)EBSM工藝加工后必須經(jīng)過其他后處理工藝處理后才可使用。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.2.1熱等靜壓處理對EBSM制造的零件進行熱處理，主要是為了減少內(nèi)部孔隙，以達到盡可能完全致密的材料，熱等靜壓是EBSM樣品熱處理中最常用的工藝。熱等靜壓（HIP）是將制品置于密閉容器中，在高溫高壓的惰性氣體中消除制品孔隙以提高致密度和均勻化程度的技術(shù)。熱等靜壓技術(shù)是消除EBSM零件孔隙、提高零件疲勞壽命的有效方法，被廣泛應用于處理EBSM成形后的零件，如圖5-8所示。圖5-8Ti-6Al-4V合金熱等靜壓前的計算機斷層掃描圖6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.2.1熱等靜壓處理圖5-9Ti-6Al-4V合金熱等靜壓后計算機斷層掃描圖圖5-8和圖5-9為Ti-6Al-4V合金EBSM樣品熱等靜壓前、后的X射線計算機斷層掃描圖（XCT），其中紅色部分為孔隙，可見樣品在熱等靜壓后孔隙明顯減少甚至消失。其中一號樣品和三號樣品的孔隙得到完全消除，二號樣品的孔隙也得到明顯改善。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.2.1熱等靜壓處理對于生物醫(yī)用Co-Cr-Mo合金，經(jīng)過熱處理之后其靜態(tài)力學性能能夠達到醫(yī)用標準要求，并且經(jīng)熱等靜壓處理后其高周疲勞強度達到400-500MPa(循環(huán)107次)，經(jīng)時效處理后，其700℃的高溫拉伸強度高達806MPa。除熱等靜壓外，通過回火、時效等方式處理EBSM加工后的零件，可有效消除制件內(nèi)部殘余應力，細化晶粒以提高材料的強度、塑性等力學性能。將EBSM成形的M2高速鋼零件經(jīng)多次回火處理后，可使其致密度和抗彎強度得到明顯提高。對于目前航空航天領(lǐng)域廣受關(guān)注的γ-TiAl金屬間化合物，EBSM成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，經(jīng)熱處理（雙態(tài)組織）或熱等靜壓后（等軸組織）具有與鑄件相當?shù)牧W性能。同時，意大利Avio公司的研究進一步指出，EBSM成形TiAl室溫和高溫疲勞強度同樣能夠達到現(xiàn)有鑄件技術(shù)水平，并且表現(xiàn)出比鑄件優(yōu)異的裂紋擴展抗力和與鎳基高溫合金相當?shù)母邷厝渥冃阅堋?EBSM工藝制件主流后處理工藝6.2.2表面加工EBSM加工后的零件表面粗糙度相對較差，且易附著未熔化的粉末顆粒。對EBSM直接成形后的零件進行吹砂處理可清除附著粉末，可在一定程度上改善成品件表面質(zhì)量。但對于表面粗糙度要求較高的零件，則需通過切削、磨削等機械加工方式對制件表面進行處理。但針對復雜形狀零件的表面處理，傳統(tǒng)機加工方法難以有效進行，因此需結(jié)合無損表面改進技術(shù)，如微弧氧化(Micro-arcoxidation，MAO)。微弧氧化技術(shù)是通過電參數(shù)與電解液的匹配調(diào)節(jié)，在鎂、鋁、鈦等閥金屬表面生成以基體金屬氧化物為主的陶瓷性涂層，能大幅提高零件的硬度、耐腐蝕性，同時能顯著降低零件的表面粗糙度。6EBSM工藝制件主流后處理工藝6.2.2表面加工圖5-10Ti-6Al-4V合金微弧氧化前后3D形貌及粗糙度對比圖5-10是Ti-6Al-4V合金EBSM樣品微弧氧化前后3D形貌以及粗糙度對比，表面粗糙度平均值從Ra＝28.80um，Rz＝179.53um，降低到了Ra＝11.31um，Rz＝66.41um，可見樣品在經(jīng)過微弧氧化處理后的樣品的表面質(zhì)量得到了極大的改善。02〖小結(jié)〗〖小結(jié)〗電子束選區(qū)熔化(ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM)是一種增材制造工藝，通過電子束掃描、熔化粉末材料，逐層沉積制造3D金屬零件。由于電子束功率大、材料對電子束能量吸收率高，EBSM技術(shù)具有效率高、熱應力小等特點，適用于鈦合金、鈦鋁基合金等高性能金屬材料的成形制造。EBSM技術(shù)在航空航天高性能復雜零部件的制造、個性化多孔結(jié)構(gòu)醫(yī)療植入體制造方面具有寬廣的應用前景。03〖課后練習與思考〗〖課后練習與思考〗0102042.電子束選區(qū)熔化EBSM技術(shù)的優(yōu)缺點？3.EBSM工藝制件主流后處理工藝都有哪些？1.電子束選區(qū)熔化是什么？謝謝第6章線弧增材（WAAM）增材制造技術(shù)演講人〖小結(jié)〗01〖課后練習與思考〗02目錄〖學習目標〗01知識目標：（1）掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念；（2）掌握WAAM工藝制件主流后處理工藝；0203掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成技能目標：（4）了解WAAM工藝增材制造技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。素養(yǎng)目標：（1）能夠根據(jù)零件特征及需求選擇正確后處理工藝；在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容（1）具有學習問題、分析問題、解決問題的能力；在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容（2）具有認真、細心的學習態(tài)度和精益求精的工匠精神。掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成〖考核要求〗完成本項目學習內(nèi)容，能夠掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念及主流的后處理工藝就，了解掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成1WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念線弧增材制造（WireandArcAdditiveManufacturing，WAAM）是一種利用逐層熔覆原理、以鎢極惰性氣體保護焊（TungstenInertGasWelding，TIG）、熔化極氣體保護焊（MetalInert-Gas，MIG）的和等離子弧焊（PlasmaArcWelding，PAW）產(chǎn)生的電弧作為熱源如圖6-1所示，不斷熔化填充絲材，通過填充將焊絲沿規(guī)劃路徑逐層沉積堆敷，而逐漸成形出金屬零件的先進數(shù)字化制造技術(shù)。基本原理示意圖如圖6-2所示。WAAM實際上是將氣體保護電弧焊方法應用到了增材制造領(lǐng)域，主要分為熔化極和不熔化極兩種形式。熔化極包含長弧和短弧兩種工藝，前者為熔滴自由過渡的熔化極氣體保護焊電弧，后者為熔滴短路過渡的冷金屬過渡（ColdMetalTransfer，CMT）電弧。掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成1WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念圖6-1基于不同熱源的線弧增材制造方法掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成1WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念圖6-2線弧增材制造原理示意圖WAAM所獲堆焊層的質(zhì)量取決于熔覆材料、增材制造時的工藝參數(shù)以及周圍環(huán)境的影響，堆焊層的耐磨性又取決于熔覆層中硬質(zhì)相的類型、形狀和分布以及與基體的融合情況，為了有效發(fā)揮堆焊層的作用，通常希望所獲得的堆焊層有較小的稀釋率、合理的組織類型、形狀以及分布。掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成1WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念WAAM采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實體構(gòu)件，因以電弧為載能束，熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形，圖1-3為幾種金屬增材制造工藝性能的比較。面對特殊金屬結(jié)構(gòu)制造成本及可靠性要求，其結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，因而該技術(shù)除了增材制造技術(shù)所共有的有點外，相比于其它增材制造技術(shù)還具有以下優(yōu)點：（1）線弧增材制造設(shè)備成形過程制造形式靈活，對零件尺寸限制少，成形零部件的尺寸、形狀和重量幾乎不受限制。國內(nèi)外SLM設(shè)備的常規(guī)成形尺寸目前大約在500mm×500mm×500mm左右，而電弧設(shè)備成形尺寸則可達到3000mm×3000mm×2000mm或者更大。掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成1WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念（2）線弧增材制造技術(shù)生產(chǎn)效率高，激光和電子束作為熱源的金屬增材制造生產(chǎn)效率為2-10g/min，而WAAM可達50-130g/min，若選擇適當參數(shù)，最高可達到幾公斤/小時。能量利用率方面，激光為2%-5%，電子束為15%-20%，而線弧增材制造參數(shù)選擇合適時可達50%以上。（3）線弧增材制造使用絲材而非金屬粉末，絲材價格遠低于粉末價格，例如鈦合金TC4金屬絲材的市場價格僅為粉末價格為1/4。金屬粉末在打印過程中也會造成浪費，粉末單次利用率小于30%，為了節(jié)約成本，部分廠家都會收集二次粉并重復使用，產(chǎn)品的性能和表面粗糙度會受到影響。而絲材在成形過程中材料利用率極高，90%以上的焊接材料都能利用。（4）線弧增材制造材料適用范圍廣，可對銅、鋁等激光反射率高的材質(zhì)進行加工，獲得的掌握WAAM工藝增材制造技術(shù)設(shè)備主要構(gòu)成1WAAM工藝增材制造技術(shù)基本概念熔覆層成分均勻，堆焊層與母材或堆焊層之間實現(xiàn)冶金結(jié)合，力學性能好。隨