【康沃真空網(wǎng)】2022年1月，3D打印行業(yè)研究機(jī)構(gòu)CONTEXT發(fā)布了最新行業(yè)報告。報告指出，在2021年的前三個季度，工業(yè)3D打印機(jī)的出貨量增長39%，前三個季度針對消費(fèi)級的打印機(jī)需求高于新冠疫情之前的水平。進(jìn)入2022年，該機(jī)構(gòu)預(yù)測市場將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長態(tài)勢，3D打印行業(yè)也會蓬勃發(fā)展。
▲ 按價格等級劃分的全球3D打印機(jī)出貨量，圖片來自CONTEXT
什么是 3D 打??？
3D打印技術(shù)又稱增材制造（Additive manufacturing），是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將可粘合材料逐層疊加以構(gòu)建現(xiàn)實(shí)三維物體的技術(shù)。作為“決定未來經(jīng)濟(jì)的12大顛覆技術(shù)”之一和第三次工業(yè)革命的引擎，3D打印標(biāo)志著從傳統(tǒng)制造邁向智能制造的巨大產(chǎn)業(yè)變革，引發(fā)了新的技術(shù)革命浪潮。
▲ 通用3D打印流程
傳統(tǒng)加工技術(shù)包括減材加工和等材加工。減材加工主要采用比加工材料更硬的工具依靠機(jī)械外力來完成多余材料的去除過程，主要有: 車、銑、刨、磨、鉆等。等材加工主要是將熔融材料澆入模型，熔融材料凝固后獲得具有一定形狀、尺寸和性能的零件毛坯，主要包括鑄造、鍛造等。
典型的3D打印自20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)，當(dāng)時稱為快速成型。3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)復(fù)雜的三維形狀，還可以用金屬粉末制造部件，避免了對金屬塊工件進(jìn)行銑削、車削、鉆孔或切割等耗時費(fèi)力的工作。增材制造可以生產(chǎn)出傳統(tǒng)金屬加工工藝因?yàn)榧夹g(shù)或經(jīng)濟(jì)原因無法生產(chǎn)的復(fù)雜部件，且生產(chǎn)時間可以大大縮短。
電子束熔融EBM
金屬的3D打印，離不開一種特殊的增材制造技術(shù)——電子束熔融（EBM）。電子束熔融產(chǎn)品由金屬粉末制成，這種工藝與選擇性激光熔融（SLM）類似。兩種熔融工藝的主要區(qū)別是能量源，電子束熔融的能量源是電子束而不是激光束。這就是為何這種工藝只有在真空中才能實(shí)現(xiàn)的原因。
下圖顯示了一部Arcam EBM 3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。EBM系統(tǒng)主要由電子束槍、電子束柱和形成元件的制造室組成。電子束槍里含有一根細(xì)絲，通常是鎢絲。電子束就是在這里生成的。電子束柱由三組電子透鏡組成：消象散透鏡、聚焦透鏡和偏轉(zhuǎn)透鏡。電子束柱的任務(wù)是校正電子束形狀并調(diào)整電子束焦點(diǎn)。它還用作偏轉(zhuǎn)單元。制造室設(shè)計(jì)成真空室，因?yàn)樾枰婵諚l件。制造室里包含存儲金屬粉末的儲粉艙、取粉器和工作臺。除了取粉器系統(tǒng)或垂直移動的工作臺，制造室里沒有移動部件。
▲ 左圖：Arcam EBM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，右圖：設(shè)備工作時金屬粉末逐層熔化，圖片由Arcam AB提供
工藝流程如下：
丨鎢絲在真空下加熱至 2500°C 而發(fā)出電子；
丨電子通過電磁體加速，然后以光速的一半聚焦并投射到粉末表面；
丨粉末顆粒因電子束升溫，選擇性地熔化一層薄薄的金屬粉末；
丨一層成型后，工作臺就一次下降一層高度，然后粉末床上重新鋪滿來自儲粉艙的金屬粉末，組件在粉末床上一層接一層地堆積成型；
丨打印流程完成，把部件從機(jī)器里取出，并去除多余的粉末，去除固定在升降臺上的支撐結(jié)構(gòu)；
丨可能需要進(jìn)行表面處理，如拋光。在某些情況下，可能還需要在烤箱中固化以消除打印過程中出現(xiàn)的應(yīng)力。這種熱處理有時在真空爐中進(jìn)行。
電子束熔融的特性與應(yīng)用
EBM工藝流程具有多種優(yōu)勢。主要優(yōu)勢之一就是能夠用具有較高熔點(diǎn)和高活性的材料實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的幾何形狀。因此，鈦合金和鈷鉻合金通常用EBM，但也使用其他合金，如Ti6Al4V、ASTM F75或合金718。因此，與原有金屬相比，打印產(chǎn)品的機(jī)械、動態(tài)和化學(xué)性能相同甚至更好。特別是用鈦進(jìn)行的打印，為增材制造開辟了新的應(yīng)用。
▲ 用于3D打印的金屬粉末，通常用鈦合金和鈷鉻合金
此外，在真空下打印部件還可以防止在熱金屬中形成氣泡。這種脫氣效果會使打印部件的金屬層非常均勻。真空的另一個積極作用，也因此成為EBM的優(yōu)點(diǎn)，是可以防止熔融金屬粉末的氧化。因此，粉末在加熱時不會銹蝕或生銹，在打印過程結(jié)束后可以直接回收大量非熔化粉末。因此，這種工藝流程應(yīng)用廣泛，特別是對于航空工業(yè)。
▲ 利用EBM技術(shù)制造的衛(wèi)星散熱器
▲中國航空制造技術(shù)研究院制備的EBM TiAl低壓渦輪葉片
相比選擇性激光熔融（SLM），EBM的優(yōu)勢之一是打印速度。通過分裂電子束，可以同時在多個位置熔化粉末，從而加速打印過程。但是EBM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的部件尺寸較小，最大直徑為250mm，高度為380mm。精確度與精密度也低于SLM工藝。
EBM 工藝流程的特點(diǎn)如下：
■ 最大建構(gòu)尺寸：350 x 350 x 380 mm
■ 最小建構(gòu)尺寸：0.1 mm
■ 精確度+/- 0.2 mm（可通過后續(xù)精加工提高）
■ 最小層厚：0.05 mm
■ 典型表面質(zhì)量：203 - 25.4 μm RA（可通過后續(xù)精加工提高）
■ 密度：高達(dá) 99.9%
但是EBM能夠加工高活性材料，這是SLM做不到的。EBM工藝對于用高活性材料進(jìn)行打印尤為重要，這些材料往往還需要生成復(fù)雜的幾何形狀。比如Ti6Al4V，這種合金由于比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性，在航空航天工程領(lǐng)域具有巨大的價值。
由于生物相容性良好，這種合金也做成假肢和植入物，越來越多地用于醫(yī)療技術(shù)。鈦合金還有TiAl等其他牌號，此外植入物醫(yī)療技術(shù)以及牙齒修復(fù)體還常常用到 CoCr。CoCr具有高剛度和耐磨的特點(diǎn)，并且具有生物相容性。通過使用3D打印，植入物或假體可以精確適應(yīng)患者的特定要求。
▲左圖：用金屬粉末制造的3D打印飛行器渦輪發(fā)動機(jī)，右圖：用EBM打印的植入物示例
EBM與真空技術(shù)
EBM工藝中的真空有多種用途。首先，它可以防止氧化，避免產(chǎn)生氣泡。其次，電子束槍產(chǎn)生電子束以及精準(zhǔn)熔融工藝也需要真空。如果電子束與氣體粒子碰撞會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而在真空中則不會。這里的決定性因素是高平均自由程長度，它與壓力的降低成正比。因此，需要極高的極限真空才能實(shí)現(xiàn)高平均自由程。
對于EBM工藝，需要低于5×10-5mbar的高真空。當(dāng)更換組件的時候，需要盡可能最快的抽真空時間以縮短準(zhǔn)備時間。在打印過程中，向部件注入分壓為4×10-3mbar的氦氣以確保環(huán)境清潔且受控。這一點(diǎn)對于滿足組件構(gòu)建材料的化學(xué)要求非常重要。
為了滿足以上技術(shù)需求，在整個EBM生產(chǎn)過程中，需要多種真空設(shè)備支持其正常運(yùn)行。我們以普發(fā)真空產(chǎn)品為例，說明真空技術(shù)在EBM技術(shù)中的重要作用。
普發(fā)真空針對電子束熔融技術(shù)提供的產(chǎn)品主要包括用于對制造室和電子束槍抽真空的前級泵和高真空泵、用于測量從大氣到高真空壓力的真空計(jì)（可選裝校準(zhǔn)設(shè)備）、定制真空腔室、連接真空部件的閥門和法蘭組件以及用于定位泄漏的檢漏儀。
▲普發(fā)真空針對電子束熔融提供全系列的產(chǎn)品組合
1、抽真空
?。?） 制造室抽真空
制造室在通入氦氣之前需要達(dá)到低于5×10-5mbar的極限真空，而整個打印過程中都要設(shè)定4×10-3mbar的持續(xù)過程真空度。根據(jù)制造室的體積，可以制定不同的高真空和前級泵組合。在選擇高真空泵時，也必須考慮到解吸率。原因是氣體分子（主要是水）與制造室的內(nèi)表面以及金屬粉末結(jié)合，在真空下會逐漸釋放。表面的解吸率導(dǎo)致氣體的積累隨著時間的推移而減少。要達(dá)到的極限真空越高，解吸的影響就越大。解吸對抽真空時間有負(fù)面影響，在設(shè)計(jì)過程中考慮到這一現(xiàn)象非常重要。
▲普發(fā)HiPace渦輪分子泵系列產(chǎn)品在制造室抽真空領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。該系列泵用于EBM工藝的優(yōu)勢在于：尺寸緊湊、振動極低、抗塵性能優(yōu)良、極限真空高、可靠性高、使用壽命長、運(yùn)營成本極低、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)精密、輸送壓力相對較高等。
為了在所需時間內(nèi)達(dá)到合適的前級真空壓力以打開高真空泵，需要適當(dāng)規(guī)格的前級真空泵。EBM工藝中的典型前級泵要求如下：
■ 適應(yīng)全球電壓，理想情況下是單相
■ 低噪音水平，提供理想的工作環(huán)境
■ 更換組件時，泵送速度高、周期短（通常為10l/s）
■ 運(yùn)營成本低：維修間隔時間長；低功耗
▲普發(fā)真空應(yīng)用于EBM的真空獲得泵組：旋片泵作為后備泵，如果需要無碳真空的話，則提供渦旋泵。
?。?）電子束槍抽真空
電子束槍的一個關(guān)鍵點(diǎn)是磁場。磁場會受復(fù)合軸承和相關(guān)的單邊磁懸浮軸承的負(fù)面影響。所以在選擇真空泵的時候要格外注意磁場對于電子束槍的影響。此外，泵體的振動也會影響到電子束槍的精準(zhǔn)運(yùn)行，該指標(biāo)也應(yīng)考慮在內(nèi)。
▲普發(fā)HiPace Plus電機(jī)內(nèi)部有屏蔽且雜散磁場低，因此磁場極為有限；泵內(nèi)有特殊嵌入軸承，可最大限度地減少振動。
2、真空測量
既然需要真空獲得設(shè)備抽真空，那么就需要專業(yè)的設(shè)備測量制造室和電子束槍的壓力，以保證壓力達(dá)到規(guī)定值。同樣的，除了精準(zhǔn)度外，測量設(shè)備也不能對電子束有磁場干擾。
▲普發(fā)真空RPT 200型和HPT 200型真空計(jì)組合，數(shù)字信號轉(zhuǎn)換使測量誤差降到最低，可保證電子束不受磁場干擾，通常用于測量高真空泵的前級真空壓力。
3、真空計(jì)校準(zhǔn)
為了確保壓力測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，以及長期的工藝穩(wěn)定性，必須定期校準(zhǔn)真空計(jì)。由于傳感器存在污染顆?；蚶淠镆约伴L期使用引起的老化，測量信號可能會發(fā)生變化。因此，校準(zhǔn)是質(zhì)量保證的一個必要組成部分。標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)必須由經(jīng)過認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)并且可以追溯到國家標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)使用大量真空計(jì)時，直接內(nèi)部校準(zhǔn)比外部校準(zhǔn)更具成本效益?？梢允褂脤ｉT的校準(zhǔn)系統(tǒng)來完成。
▲普發(fā)真空提供工廠級別的DAkkS（Deutsche Akkreditierungsstelle GmbH =德國認(rèn)證機(jī)構(gòu)）認(rèn)證級別的校準(zhǔn)服務(wù)，符合ISO 3567標(biāo)準(zhǔn)。普發(fā)真空研發(fā)的校準(zhǔn)泵組，有基本和專業(yè)型號。符合ISO 3567標(biāo)準(zhǔn)的真空室可確保均勻的壓力分布，并確保真空計(jì)在相同高度處對稱排列。
4、泄漏檢測
在EBM工藝中，要達(dá)到所需的極限真空并保證過程中的真空度，需要良好的泄漏密封性。特別是在高真空內(nèi)，即使是小泄漏也會阻礙真空度的達(dá)到。對于EBM系統(tǒng)，累積泄漏率小于1×10-5mbar是最低要求。對于泄漏檢測來說，氦氣檢漏儀則必不可少。
泄漏測試可以通過多種方式執(zhí)行。一種方法是將系統(tǒng)抽真空并用噴槍從外部、密封點(diǎn)、焊縫和其他潛在泄漏處噴吹氦氣。如果有泄漏，氦氣會流入抽空的真空室，然后被檢漏儀吸入并檢測到。為了實(shí)現(xiàn)較短的響應(yīng)時間，大型系統(tǒng)對現(xiàn)有真空系統(tǒng)用分流的方式使用檢漏儀。
另一種方法是嗅探測試。在這里，系統(tǒng)用氦氣等示蹤氣體加壓。然后，嗅探器探針經(jīng)過系統(tǒng)。發(fā)生泄漏時，檢漏儀會發(fā)現(xiàn)逸出的示蹤氣體，進(jìn)而確定泄漏的位置。由于EBM技術(shù)也需要添加氦氣，因此該方法也可以用來保證氦氣的供應(yīng)。
▲ 嗅探測試示意圖
如果應(yīng)用端不僅打算測試系統(tǒng)，還要測試打印的組件是否泄漏，可采用累積檢測法。將組件充滿示蹤氣體，然后放置在真空測試室里。如果發(fā)生泄漏，示蹤氣體將從部件中逸出到測試室，并被檢漏儀檢測到。
▲ 累積檢測法示意圖
▲ 普發(fā)真空ASM 340檢漏儀普遍適用，ASM 310緊湊便攜，是移動應(yīng)用的首選
另外，普發(fā)真空還會提供EBM真空系統(tǒng)閥門組件訂購及真空室定制服務(wù)，為3D打印制造商提供優(yōu)質(zhì)的真空解決方案。
3D打印技術(shù)從1980s誕生至今只有短短三十多年，卻正在引領(lǐng)世界性的制造業(yè)革命。作為“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的代表，它幾乎完美地滿足了定制與大規(guī)模生產(chǎn)的要求，并在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出無限的創(chuàng)造性。
3D打印產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入成長期，預(yù)計(jì)到2026年全球3D打印產(chǎn)值有望達(dá)到372億美元，全球競爭已拉開序幕。相信隨著需求的不斷挖掘、政策的持續(xù)引導(dǎo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步規(guī)范化，3D打印應(yīng)用的廣度和深度將進(jìn)一步加速拓展，真空技術(shù)在其制造過程中的作用也會愈加明顯。
