使用金属增材制造(AM)工艺的应用逐年增加，在所有关键工业部门都有相当多的研发活动。通用术语“金属AM”提供了一个保护伞，为一些具体的但不同的金属工艺，生产零件相加。这些不同的工艺提供了不同的优势，可用于适应特定的应用。但它们也有需要妥协的局限性。以下是工业上可用的不同金属AM工艺选择，重点是粉末床熔合(PBF)。另外，我们来看看一项新的发展——NeuBeam工艺——它承诺减少对妥协的要求。
威尔·理查森，Wayland Additive的首席执行官
在许多工业部门中，采用金属增材制造(AM)作为传统制造工艺的替代方案在生产应用中得到了持续的推动。在这方面的一个关键驱动因素是生产几何复杂和创新产品的能力，这些产品与传统制造工艺相比费力、耗时、限制性和成本高昂。
随着制造商寻找应用金属调幅和利用其优势的方法，新的应用不断出现。然而，发展的速度并不像许多人几年前预测的那么快，因为AM——特别是金属材料——有它自己的一些限制。毫无疑问，要确定最小化这些限制的应用程序并不容易。
在Wayland添加剂公司，我们一直致力于开发一种全新的金属AM粉末床熔合(PBF)工艺，以最大限度地减少现有的限制。当考虑到两种主要的PBF技术时，NeuBeam提供了第三种方法。
金属是过程
在AM的七种不同工艺分类中，有三种是金属的。
粉末床熔合(PBF):使用大功率热源——激光或电子束(eBeam)——将金属粉末熔合在一起，在粉末床中一次熔一层。
•直接金属沉积(DMD):熔融金属粉末/金属丝以薄层沉积在现有基板上。
粘结剂喷射:一种粉末床工艺，使用贱金属粉末材料和液体粘结剂材料，每次沉积一层来粘结粉末。
这篇文章主要集中在生产应用中最成熟的金属AM工艺- PBF。
激光vs电子束PBF
PBF可以说是结构生产应用中采用最广泛的AM工艺。这部分是由于处理能力，部分是由于技术的成熟。到目前为止，PBF有一个明确的双向选择，用户可以选择使用基于激光的PBF系统或电子束PBF技术。这两种金属PBF工艺早在20世纪90年代就已经出现了。
两者之间最明显的区别是用于熔化金属粉末的热源，这在工艺名称中有所说明。激光PBF通常使用大功率200-400瓦的yb光纤激光器(或系列激光器)，而传统的EBM使用3-6千瓦区域的电子束和磁场来引导光束。电子束的本质要求这一过程在真空中进行，因为腔室中的任何气体分子都会对电子束产生不利影响，而真空条件也确保了操作的安全。相比之下，激光PBF平台的工作条件需要惰性气体，通常是氮气或氩气。
这两种技术之间的一个权衡归结为精度与速度的对比。传统上，激光PBF在保真度和表面光洁度方面具有优势(由于激光的精确性质)，而电子束PBF在速度和生产率方面具有显著优势，因为电子将能量传输到粉末层的有效方式，以及整个层的通厚加热。此外，eBeam可以同时处理多个熔池，进一步有助于提高生产率。
激光PBF的具体好处
激光PBF是最古老的工业金属AM工艺，如前所述，使用精确的，高功率的激光熔化粉末金属和合金，形成精确的，复杂的，全功能的金属零件。它被广泛认为是一种稳定的工艺，可以适用于相对广泛的金属材料。该工艺处理非常细的粉末，因此可以实现精细的层厚度(通常20-40 μ m，相比之下，50-90 μ m为EBM)，因此，生产的零件具有精细的细节和光滑的表面饰面。
eBeam PBF的具体好处
电子束PBF工艺表现出良好的能量传递物理特性，具有优良的冶金性能，与激光PBF相比，残余应力问题少得多。这是因为eBeam PBF在较高的加工温度下工作，可以最大限度地减少残余应力和变形，以及由于开裂/机械故障而导致的失败构建。此外，电子束PBF具有良好的材料性能，可以生产完全致密的零件，而且不会受到激光PBF[1]中所见的高氧化粒子的污染。
然而……
工业界已经不是什么秘密了，现有的激光和电子束PBF系统存在局限性，其中一些是令人望而却步的。明确地说(和公平地说)，这两者都被正确地证明对某些工业应用有价值。尽管这总是需要妥协来克服它们的局限性，而且有时，这些妥协会首先否定使用AM的实际好处。
使用激光PBF，该过程产生的内部残余应力需要广泛的结构支撑，以防止零件在打印过程中变形或开裂。有时，制造这些支架所需的材料与零件本身一样多。移除这些支架后建造通常需要使用线切割和加工操作。这些部件通常还需要在建造后在熔炉中消除应力——另一种操作，更多的成本，和另一件设备来维护和运行。
激光PBF零件倾向于在支撑板上制造，支撑板由与打印零件相似的材料制造(钛零件印刷在钛板上等)。这是为了确保支撑材料正确地焊接到板上。随着建筑体积尺寸的增加，板的厚度也趋于增加，非常大的部件要求板可能有几英寸厚。对于昂贵的材料，如钛，这可能是一个相当大的成本，特别是如果板失去大变形，由于残余应力。值得注意的是，电子束PBF工艺可以使用较便宜的材料[2]制成的薄板，因此不需要线切割去除零件，并有更少的支撑。
使用激光PBF，该过程还会产生高氧化颗粒(“飞溅”)，从熔池[3]中喷射出来。通常情况下，氩气的横流被用来带走这些高度氧化的颗粒到过滤器，但仍然有少数这些颗粒落在粉末床上，造成局部污染，这可能会影响零件[4]的机械性能。这种被飞溅污染的交叉流动气体是明显的，从熔池中喷出的烟羽被带到下游方向。当使用多个激光器进行加工时，必须注意确保一个激光器不会在另一个激光器的下游加工，因为它可能被烟雾所遮蔽。随着粉末床尺寸的增加，维持均匀的层流气体穿过粉末床变得越来越困难，这往往限制了激光PBF机器生产的零件的可行尺寸。
同样，传统的循证医学过程也面临着自身的挑战和约束。首先，用户经常因流程的不稳定性而感到沮丧。这种不稳定性是由建造腔内的电荷积聚造成的，这可能导致粉末散射或所谓的“烟雾事件”，扭曲当前的建造层，从而损害整个建造。为了避免这种情况，该过程必须以特定的方式操作，并具有陡峭的学习曲线。特别地，将粉床的温度保持在严格的范围内是至关重要的，这是使粉床烧结的必要条件，以使它不受粉末充注[5]的干扰。这种不可靠性意味着电子束PBF通常被认为不如基于激光的PBF。
然而，eBeam PBF流程确实会导致下游的复杂性，这往往会否定它的整体优势。例如，该工艺将零件埋在烧结粉末“饼”中，这使得零件的移除和后处理非常困难、耗时和昂贵。从零件上清除未使用的粉末的挑战也对零件的几何形状造成了限制，例如涡轮叶片上的冷却通道等封闭区域。
叶轮部分在粉末去除之前，说明了自由流动的粉末，而不是传统上与eBeam PBF AM工艺相关的烧结饼。
这些折衷可能会限制eBeam PBF可使用的材料，以及可生产的几何形式，以及最终可成功使用的应用。传统EBM的粉末回收过程一直是一个挑战，因为烧结粉末的破碎是通过空气中的珠爆来完成的，这在使用细粉末反应金属时存在爆炸风险。因此，出于安全考虑，使用较粗的粉末。当然，这种做法也有好处，即粗糙的粉末更便宜，可以构建更厚的层和更快的构建时间。然而，这带来了一个权衡粗糙的表面光洁度和较低的保真度。通常情况下，电子束PBF与Ti 6-4、TiAl、CoCr或Inconel 718等材料一起使用，只是因为学习曲线陡峭和工艺开发的复杂性。
第三种方法——NeuBeam
NeuBeam是一种新的PBF工艺，在不妥协的情况下，提供了激光和电子束PBF的最佳性能，并为更多的工业应用开辟了更大的潜力。这种新工艺是电子束PBF工艺，能有效中和电子束产生的电荷积累。这比激光PBF提供了更大的灵活性，同时克服了电子束PBF的稳定性问题。此外，这意味着NeuBeam工艺能够根据应用需求定制冶金要求，而不是将打印工艺维持在工艺允许的狭窄范围内。这些工艺能力，以及工艺开发的大大简化，也开辟了更广泛的金属材料的使用范围。
尽管EBM和NeuBeam之间有一些共同点——即它们都是PBF工艺，它们使用电子束作为热源来熔化金属粉末——但重要的是要理解EBM和NeuBeam从根本上是不同的。与传统的eBeam PBF工艺不同，NeuBeam利用半导体行业开发的核心物理原理，消除了使EBM不稳定的充电问题。此外，NeuBeam是一个热部件工艺而不是一个热床工艺。该工艺有效地创造了无残余应力的零件，因为高温只适用于零件而不是床，确保粉末在制造后自由流动(没有烧结饼)和无应力零件，降低了能源消耗。
最后部分——一个叶轮——直接脱离NeuBeam系统，没有后处理。
此外，该工艺克服了制造大型部件的许多限制——没有残余热应力，没有气体横流，比现有的电子束系统更简单的粉末去除工艺。
NeuBeam工艺可以生产一系列材料的全密度零件，其中许多材料与传统的电子束或激光PBF工艺(如难熔金属和高反射合金)不兼容。因此，NeuBeam工艺可以证明改进的冶金工艺，而不需要现有金属AM工艺所需要的许多妥协。
NeuBeam还具有内置实时过程监控的优势，允许通过在制造过程中调整凝固来快速开发材料或调整微观结构。使用NeuBeam，工艺温度不受烧结粉末床的限制，使工艺温度可以根据材料的微观结构和/或应用进行优化。
这些水平的过程监测是通过结构光扫描、电子成像和高速红外摄像机等先进技术的结合来实现的。每一种不同的监控方法都被校准到机器中相同的参考点，并进行管理调整，以确保最佳的结果和输出。作为一个真正的热过程，制造室中的一切都可以被监控，并且有可能在制造过程中看到整个粉末床的真实温度。被加工材料的热历史也可以被看到，就像表面的地形一样，这样就可以在缺陷发生时检测并报告缺陷。
韦兰添加剂
waylandadditive.com
NeuBeam技术是由一组物理学家在半导体行业的电子束技术和工业系统方面工作了几十年的团队从地面开始在内部开发的。科学，结合广泛的专业知识和经验，使Wayland Additive开发了一个非常强大和可靠的系统，而不是模仿现有的系统或采用现成的组件和重新使用它们。
引用:
[1]梁振良，S. Marussi, M. Towrie, R. C. Atwood, P. J. Withers，和P. D. Lee，“粉末氧化对激光增材制造缺陷形成的影响”，物理学报。《中国科学院学报》，vol. 166, pp. 294-305, 2019。[2] S. S. Al-Bermani, M. L. Blackmore, W. Zhang和I. Todd，“电子束熔化Ti-6Al-4V的微观结构多样性、织构和机械性能的起源”，金属。板牙。反式。一个物理。金属。板牙。科学。，第41卷，no。13, pp. 3422-3434, 2010。
[3] P. Bidare, I. Bitharas, R. M. Ward, M. M. Attallah和A. J. Moore，“激光粉末床熔合的流体和粒子动力学”，物理学报。， vol. 142, pp. 107-120, 2018。
[4] M. Velasco-Castro, E. Hernández-Nava, I. A. Figueroa, I. Todd, R. Goodall，“选择性激光熔炼过程中氧拾取对Ti-6Al-4V晶格微观结构和力学性能的影响”，中国激光，vol. 5, no. 1。12日,2019年12月。
[5] Z. C. Cordero, H. M. Meyer, P. Nandwana和R. R. Dehoff，“电子束增材制造过程中的粉末床充电”，物理学报。， vol. 124, pp. 437-445, 2017。
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