三维打印

通过加深了解释放电子束熔化的潜力

12 月 16, 2024

电子束熔化（EBM）有望用于制造复杂的金属部件，但工艺知识方面的差距阻碍了其应用。本指南通过对粉末特性、热建模、参数影响和工业应用案例的探讨，揭开了电子束熔化技术的神秘面纱。加深对材料特性、模拟和生产精细化的理解是优化这种专业技术的关键。三维打印技术

对电子束熔化工艺至关重要的金属粉末特性

原材料粉末在电子束熔化过程中起着重要作用，因为它是利用电子束有选择性地熔化，以形成每个新层。在开始熔化之前，粉末要经过一个预热步骤，使其烧结在一起。这种烧结过程会将颗粒粘合在一起，并在颗粒之间形成颈部。为了了解烧结行为，研究人员使用显微镜对预热的 Ti-6Al-4V 粉末进行了评估。扫描电子显微镜显示，颗粒之间形成了颈部，直径从 1 微米到 10 微米不等。进一步分析发现，粉末具有篮状编织的微观结构，包含α相和β相，与固体合金的微观结构相似。

其他测试还包括粉末孔隙度和热性能。使用电子束熔化法制作了粉末试样，随后使用显微 CT 进行了扫描。结果显示，整个样品的孔隙率约为 50%。此外，还测量了不同温度下的热导率。有趣的是，粉末的电导率明显低于固体 Ti-6Al-4V 的电导率，其值约为固体 Ti-6Al-4V 的四分之一。具体来说，室温下的电导率为 0.63 W/mK，而在 750 摄氏度时则增加到 2.44 W/mK 以下。

了解烧结行为有助于深入了解 EBM 过程中的粉末预处理。量化孔隙率和热导率有助于开发热模型，这对模拟 EBM 熔化过程至关重要。总之，准确地反映粉末属性对于揭开这一新兴技术的神秘面纱至关重要。 3D 打印技术.

EBM 粉末的导热性

研究人员采取措施，专门测量了电子束熔化中使用的 Ti-6Al-4V 粉末的热导率。具体做法是，在样品中同时包含固体和粉末区域，使用金属三维打印过程。然后，测试分离了粉末部分的导电性。

结果表明，粉末的导电率远远低于固体钛合金。在室温下，粉末的电导率为 0.63 W/mK，仅为致密钛-6Al-4V的四分之一左右。即使在更高的温度下，粉末的导电性仍然低于固体钛合金。当温度升至 750°C 时，粉末导电率有所提高，但最高也只有 2.44 W/mK。

这些数据证实，与固体金属相比，粉末的传热能力大大降低。粉末的低传导性可能源于粉末生产过程中产生的固有孔隙率。这种低热特性在模拟 EBM 熔化过程时会产生影响。

利用热建模模拟 EBM 工艺

为了更好地理解电子束熔化过程中的热现象，研究人员创建了一个有限元模型。这种模拟方法可以研究各部件的温度分布。温度变化的材料特性和来自电子束的热通量等关键因素都被考虑在内。具体来说，该模型将电子束加热视为基于高斯分布释放能量的锥形热源。然后，在虚拟光束逐层扫描零件时，有限元分析计算温度随时间的变化。对各种制造设置进行了模拟测试。

改变光束参数，如功率、直径和速度，以分析它们对熔池大小的影响。不出所料，更高的功率和更慢的扫描速度扩大了熔池区域。同时，使用更宽的光束直径会横向压缩熔池，但深度会减小。为了衡量准确性，模拟预测与实验结果进行了比较。测量包括对制造样品的实际熔池进行量化。令人欣慰的是，模型预测的熔池尺寸与实际观测结果基本一致。平均偏差约为 32%，验证了模拟对关键热现象的表现能力。

总之，这项建模工作填补了人们对 EBM 基本热过程认识的空白。现在，经过验证的模拟为优化生产设置和探测各种设计或材料变化的热影响提供了有用的工具。

扫描速度对 EBM 流程和部件的影响

在扫描过程中，一个名为 "速度函数 "的关键制造参数会影响电子束的熔化速度。研究人员试验了不同的速度函数指数，以衡量其影响。

指数越高，光束移动越快。这加快了制造过程，但由于横梁在每个位置停留的时间较短，减少了能量输入。结果显示，指数越高，表面越粗糙，β 晶粒越大。

温度读数进一步显示了扫描速度的影响。随着指数的上升和速度的增加，2700°C 左右的峰值温度有所下降。电子束熔化扫描速度越快，能量密度越低，达到的温度也就越低。事实证明，对这些扫描速度的影响进行分析是非常有价值的。了解速度功能的改变如何改变热条件以及由此产生的微观结构，有助于优化这一重要的制造变量。

使用热成像技术测量 EBM 过程中的温度

研究人员使用近红外热像仪对电子束熔化系统内的温度进行非破坏性监控。该热像仪的灵敏度允许对预热、轮廓熔化和内部舱口扫描等不同制造步骤进行可视化。

热图像的空间分辨率被确定为水平方向每个像素 46.8 微米，垂直方向每个像素 66.2 微米。通过对每个阶段的视频捕捉，可生成光束路径上的平均温度曲线。

值得注意的是，剖面图显示了连接液相和固相变化温度的特征性高原区域。这验证了相机检测熔池内相变的能力。其他测量还记录了不同构建高度下的热行为。结果显示，离基底越远，冷却率越高。由于向底层的传导较弱，峰值温度也随着高度的增加而迅速下降。

总之，通过热成像技术绘制的温度分布图为电子束熔化过程提供了新的视角。对温度曲线的比较进一步支持了旨在真实模拟热现象的有限元模拟。非接触式温度测绘将继续为优化和质量保证提供帮助。

在 EBM 生产过程中测量温度

研究人员使用红外热像仪对制造温度进行非破坏性观察。这种近红外热像仪可以对预热、轮廓构建和内部零件扫描阶段进行成像。事实证明，该热像仪的分辨率相当高，水平方向每个像素可达到 46.8 微米，垂直方向每个像素可达到 66.2 微米。在印刷过程中捕捉到的视频可以沿光束路径生成平均温度曲线。

值得注意的是，这些剖面显示出一个连接熔化和凝固温度的标志性平坦区域。这验证了成像仪感知熔融材料相变的能力。其他剖面记录了不同高度的结果。结果显示，离底部越远，冷却速度越快。由于沉积层向下传导的能力较弱，因此越往上峰值温度下降得越快。

总之，通过热成像技术绘制的温度图为电子束熔化提供了新的见解可持续 3D 打印过程。温度曲线提高了旨在真实再现热现象的计算模型的有效性。非接触式温度曲线测试不断改进工艺掌握和质量。

制造参数对 EBM 工艺的影响

光束属性

研究人员利用热模拟来研究光束属性对熔池几何形状的影响。在建立 Ti-6Al-4V 生产模型时，对光束功率、直径和速度等变量进行了独立调整。

不出所料，功率的上升或运动速度的减慢扩大了熔融沉积模型区，并提高了最高温度。这两种变化都增加了输送到粉末床的能量。同时，采用更宽的电子束在压缩深度的同时横向压缩熔池。更宽的电子束可将能量分布到更大的区域，从而减少任何位置的热量。

扫描速度的影响

其他工作还对不同的电子扫描速度进行了试验。该参数被称为速度函数，用于控制光束的移动。

运动速度越快，零件表面越粗糙，β 晶粒越大。热测量进一步表明，随着速度的增加，峰值温度也在下降。更快的光束熔化粉末的时间更短，产生的总热量也更少。这些都为了解参数的影响提供了一个框架。要实现优化，就必须弄清设置如何改变热条件和特性。

受益于 EBM 技术的应用领域

电子束熔炼技术具有制造精密金属部件的灵活性，因此在各行各业都有应用。航空航天业依靠电子束熔融技术制造复杂的发动机部件，如喷嘴和移动起落架部件。该工艺使用钛合金等材料制造这些要求苛刻的喷气发动机部件。

医疗植入也利用了电子束熔化技术。它通常 3D 打印材料个性化生物医学植入物和牙科替代品。这种工艺的复杂性使种植受益匪浅。

焊接和汽车领域也应用了 EBM。焊接领域使用 EBM 制作金属之间的定制焊接连接。汽车行业利用 EBM 制造需要精密度的涡轮增压器。该技术利用粉末原料形成具有精密几何形状的涡轮部件。

其他行业也能从中受益。电子产品的实施需要精确制作的散热片和外壳，以满足以下要求 EBM 生产.军事和海洋领域通过真空电子束熔炼技术制造武器和水上工具。甚至珠宝工艺也利用电子束熔炼技术，形成华丽的贵金属制品。随着材料和工艺专业技术的发展，航空航天、医疗、工程等领域出现了多样化的应用机会。电子束熔化技术填补了专业生产的空白，激发了更多跨行业应用。