3D打印技術(shù)之電子束熔融成型技術(shù)(EBM技術(shù))

發(fā)布時間:2021-12-27瀏覽次數(shù):337

1994年瑞典 ARCAM 公司申請的一份專利,所開發(fā)的技術(shù)稱為電子束熔化成形技術(shù)(Electron Beam Melting),ARCAM公司也是世界上第一家將電子束快速制造商業(yè)化的公司,并于2003 年推出第一代設(shè)備,此后美國麻省理工學(xué)院、美國航空航天局、北京航空制造工程研究所和我國清華大學(xué)均開發(fā)出了各自的基于電子束的快速制造系統(tǒng)。美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的電子束實體自由成形技術(shù)( Electron Beam Solid Freeform Fabrication,EBSFF)。EBSFF 技術(shù)采用送絲方式供給成形材料前兩種利用電子束熔化金屬絲材,電子束固定不動,金屬絲材通過送絲裝置和工作臺移動,與激光近形制造技術(shù)類似,電子束熔絲沉積快速制造時,影響因素較多,如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離、工件運動速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等。這些因素共同作用影響熔積體截面幾何參量,確區(qū)分單一因素的作用十分困難;瑞典 ARCAM 公司與清華大學(xué)電子束開發(fā)的選區(qū)熔化(EBSM)利用電子束熔化鋪在工作臺面上的金屬粉末,與激光選區(qū)熔化技術(shù)類似,利用電子束實時偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)熔化成形,該技術(shù)不需要二維運動部件,可以實現(xiàn)金屬粉末的快速掃描成形。

EBM電子束熔融技術(shù)原理:
電子束熔融技術(shù)(Electron Beam Melting)是近年來一種新興的先進金屬快速成型制造技術(shù),經(jīng)過密集的深度研發(fā),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于快速原型制作、快速制造、工裝和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。其原理是將零件的三維實體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入EBM設(shè)備,然后在EBM設(shè)備的工作艙內(nèi)平鋪一層微細金屬粉末薄層,利用高能電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦后在焦點所產(chǎn)生的高密度能量使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區(qū)域產(chǎn)生高溫,導(dǎo)致金屬微粒熔融,電子束連續(xù)掃描將使一個個微小的金屬熔池相互融合并凝固,連接形成線狀和面狀金屬層。

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因具有直接加工復(fù)雜幾何形狀的能力,EBM工藝非常適于小批量復(fù)雜零件的直接量產(chǎn)。該工藝使零件定制化成為可能,而且為CAD to metal 工藝優(yōu)化的零件,可以獲得用其它制造技術(shù)無法形成的幾何形狀,因此,零件將因無與倫比的性能而對客戶體現(xiàn)其價值。該工藝直接使用CAD數(shù)據(jù),一步到位,所以速度很快。設(shè)計師從完成設(shè)計開始,在24小時內(nèi)即可獲得全部功能細節(jié)。與砂模鑄造或熔模精密鑄造相比,使用該工藝,交貨期將被顯著縮短。

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技術(shù)特點:
優(yōu)勢:
1. 具有直接加工復(fù)雜幾何形狀的能力,如空腔、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等,近凈成型,尺寸精度達到±0.2mm;
2. 在窄光束上達到高功率的能力,成型效率較高,達到55~80 cm3/hr,與砂模鑄造或熔模精密鑄造相比,顯著縮短生產(chǎn)周期;
3. 真空熔煉排除了雜質(zhì)(如氧化物和氮化物),保證材料的高強度;
4. 能熔煉難熔金屬,并且可以將不同的金屬熔合;
5. 成型環(huán)境溫度高(700℃以上),零件殘余應(yīng)力小;
6. 成型過后的剩余粉末可以回收再利用。

不足:
1. 成型設(shè)備需另配備抽真空系統(tǒng),而且需要維護,增加了成本;
2. 打印過程會產(chǎn)生X射線(合理設(shè)計真空腔可以有效屏蔽射線)

EBM技術(shù)采用金屬粉末為原材料,其應(yīng)用范圍相當廣泛,尤其在難熔、難加工材料方面有突出用途,包括鈦合金、鈦基金屬間化合物、不銹鋼、鈷鉻合金、鎳合金等,其制品能實現(xiàn)高度復(fù)雜性并達到較高的力學(xué)性能。此技術(shù)可用于航空飛行器及發(fā)動機多聯(lián)葉片、機匣、散熱器、支座、吊耳等結(jié)構(gòu)的制造。

應(yīng)用案例:

意大利Avio公司采用瑞典Arcam公司所生產(chǎn)的電子束熔化裝備(EBM)生產(chǎn)了TiAl低壓渦輪葉片。德國MTU航空發(fā)動機公司,除了將LSF技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機零部件的修復(fù)之外,近期也開始測試采用SLM技術(shù)直接制造的航空發(fā)動機小型壓氣機靜子件。羅爾斯?羅伊斯航空發(fā)動機公司同樣也在考慮將金屬直接增材制造技術(shù)應(yīng)用于其先進航空發(fā)動機的輕量化構(gòu)件的直接制造。普惠公司(Pratt&Whitney)則依托MTU航空發(fā)動機公司,也在開展SLM技術(shù)直接制造PurePower PW1100G-JM 航空發(fā)動機零部件的測試工作。

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Avio公司是GE航空的一部分,他們開發(fā)了新的金屬3D打印技術(shù)用于制造新的LEAP發(fā)動機。這種工藝制造的噴氣式發(fā)動機的的渦輪葉片,新的電子束比傳統(tǒng)的激光燒結(jié)強大十倍,一次加工成型的金屬鈦厚度提高了4倍。生產(chǎn)效率得到了極大的提高。現(xiàn)在生產(chǎn)一個8葉的渦輪葉片只需要7個小時,每年可以節(jié)約160萬美元能源成本。

目前,美國GE公司已擁有各類金屬直接增材制造裝備300多臺套,在航空發(fā)動機金屬零件的直接增材制造方面已走在國際前列。近期,美國GE公司基于其航空發(fā)動機高端零件直接制造的需求,通過收購美國Morris公司和意大利Avio公司,重點開展了航空發(fā)動機零件的SLM和EBM制造研究和相關(guān)測試。美國Morris公司采用SLM技術(shù)生產(chǎn)了大量的航空發(fā)動機零件,如圖3所示,已經(jīng)擁有超過20臺最先進的SLM設(shè)備。2013年底,GE公司宣布,將采用SLM技術(shù)為其下一代的GE Leap發(fā)動機生產(chǎn)噴油嘴,每年的產(chǎn)量將達到40000個。GE公司發(fā)現(xiàn),采用SLM技術(shù)生產(chǎn)噴嘴,生產(chǎn)周期可縮短2/3,生產(chǎn)成本降低50%,同時可靠性得到了大大的提高。


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