电子束送丝金属3D打印的重要性被低估！|3d打印|激光器|激光束|电子束|速度|金属

电子束定向能量沉积（DED-EB/W）作为一种高效的金属增材制造工艺，具有沉积速率高、热变形小、能效高等优点，有效解决了行业两大难题：生产效率和资源利用。随着对大尺寸、高性价比零部件需求的增长，电子束定向能量沉积成为媲美激光送粉增材制造技术的替代方案。

电子束送丝定向能量沉积是电子束焊接工艺的进一步发展，该工艺在高真空环境下进行，无需额外保护气体即可实现高活性金属增材制造。对于钛等活性金属，局部保护气体通常不足以制造大型增材制造零件，因此需要使用充满惰性气体的腔室或真空腔室。当前商业销售的电子束焊接真空腔室容积可达数百立方米，而如果将其中充入保护气体，则会导致零件造价极为昂贵。

在DED-EB/W工艺中，使用电子束熔化金属丝，在基底上形成熔滴。在此过程中，部分基底材料也会熔化。通过相对于基底移动的装置，可以逐层构建三维结构。这种相对移动可以通过机器人或龙门架移动带有送丝装置的电子束发生器来实现，也可以通过多轴工作台（x、y、z轴，可能还包括旋转和倾斜）来实现。两种方法的结合也是可行的，多轴操作和计算机数控（CNC）技术使得制造复杂的三维部件成为可能。

Pro-beam Additive 的WEBAM 100 机器，配备五轴工作台机械装置、外部移动光束发生器、内部送丝机和用于卷筒或线轴的外部送丝装置
通过提高沉积速率来提高生产率

电子束技术提供了一种高功率、高能量密度的能源。例如，WEBAM 100可提供最大9kW的功率，通常足以满足单送丝需求。该技术可实现最大1400x1300x1100mm的成型尺寸，从而能够生产大型零件。

不同材料的最大沉积速率和体积速率

凭借这种功率，可以熔化相对较粗的金属丝（直径1.6毫米），并以较高的进给速度制造零件。这种情况下的限制因素是最大进给速度（12米/分钟），高送丝速度为提高生产效率提供了可能。

以最大沉积速率构建的圆柱体：a) 纯铜（外径121mm），b) Ti64（外径116mm），c) IN718（外径220 mm）

高沉积速率镍基合金IN718部件的机械性能符合应用标准，与激光（DED-LB/W）和电弧（DED-ARC/W）工艺的结果相当。

以IN718 DED-EB/W圆柱体为例，未发现裂纹或孔隙，显微组织呈现细小的树枝状结构，主要由镍基合金面心立方γ相组成，其中可能含有拉维斯相和碳化物。热处理改变了显微组织，可能导致γ基体中析出细小、共格的盘状γ''（Ni3Nb）相，这些析出相是热处理提高强度的原因。

圆柱体顶部附近的微观结构，在原始状态 (a, b) 和热处理状态 (c, d) 下，低倍 (a, c) 和高倍 (b, d) 放大倍数

控制热变形

增材制造面临的关键挑战之一是热致残余应力的产生，这会导致几何变形。为了弥补这一缺陷，设计人员通常会增大构建平台和部件的尺寸，以应对生产过程中可能出现的翘曲。如果能开发出一种可以降低残余应力和热变形的工艺，则可以显著降低材料消耗和后处理需求，尤其是机械加工。

决定变形的最重要参数是基板厚度、引入的光束功率、送丝速度和生产策略（焊缝顺序），以及基板的预热温度和绝缘性。

考虑到这些参数，可以最大限度地减少热变形。下图显示了一个用于航空航天领域的结构部件的截面图。尽管基板厚度仅为5毫米，但最终的热变形小于2毫米。

用于航空航天领域的 DED-EB/W 结构件 (Ti6Al4V)，该结构件制造在 300 x 250 x 5 mm 的基板上，变形小于 2 mm。为了进行比较并突出变形，在其下方放置了一块 10 mm 的基板

另一种减少热变形的方法是使用翻转框架，该框架允许在底板的两侧构建结构。下图显示了一个构建在连接到翻转框架的底板上的组件。该组件在每一层构建完成后都在高真空环境下进行翻转。翻转过程大约需要1分钟。这使得后续层从另一侧依次抵消了前一层的热变形。通过这种方式，这种顺序抵消显著减少了变形。

为用于航空航天领域的 DED-EB/W 结构件（Ti6Al4V），该结构件制造在 500 x 400 x 10 mm 的基板上。a：固定在翻转框架上的部件俯视图。b：侧视图，展示了最小化的热变形
提高资源效率

降低热变形可提高DED-EB/W工艺的资源利用率。其他工艺特性也有助于提高资源利用率。如前所述，在高真空条件下运行无需使用保护气体，从而节约了这种资源。这不仅有利于环境，还能降低成本，尤其对于大型部件而言。

DED-EB/W资源效率更高的另一个原因是，与激光送粉DED相比，送丝DED技术产生的材料浪费显著减少。在送粉DED中，相当一部分粉末要么从零件表面弹开，要么被保护气体或载气带走，要么落在预定沉积区域之外。而线材DED则不会出现此类浪费。

激光送粉3D打印

然而，增材制造总体成本和环境影响的最大因素通常是其能源消耗。电子束能量输入到工件的效率高达90-95%。这项技术非常高效，因为能量直接被工件吸收，电子的动能转化为热能（不受空气或光学系统的散射影响）。相比之下，激光束技术会因反射、散射和光学损耗而造成能量损失。这导致激光束焊接的效率约为30-50%。将DED-EB/W与吹粉激光DED比较，结果表明电子束工艺性能更优，这主要是因为其设备能耗显著降低，仅为DED-LB的三分之一左右。通过生命周期评估对两种工艺进行直接比较表明，在所有环境指标上，DED-LB的排放量约为DED-EB的三倍。

电子束送丝3D打印

对于铜等高反射率材料，由于能量传递过程的差异，DED-EB/W相比DED-LB具有更高的效率。在DED-EB/W中，电子的动能被高效地转化为工艺热。相反，使用传统红外激光器照射纯铜时，高达98%的激光功率会被反射并损失掉。近年来，激光器技术的进步已将反射率降低至绿光激光器的45%和蓝光激光器的30%。

提高资源利用效率的另一种方法是使用由回收材料制成的线材。然而，在基于线材的定向能量沉积（DED）工艺中，通常只使用原生（或“一次”）线材。用回收线材替代原生线材可以改善该工艺的环境足迹，同时降低材料成本。研究的一个例子是钛合金回收线材，这是一种芯材，其结构与标准的均质实心原生线材有显著差异。这种回收线材由激光束纵向焊接的原生钛外层和由回收合金粉末制成的内芯填充材料组成，外层和填充材料的平均成分均为Ti6Al4V。

将药芯焊丝应用于DED-EB/W工艺的挑战在于，药芯焊丝中滞留的气体在真空熔化时会释放出来并迅速膨胀，这可能导致工艺过程中出现飞溅，并在部件中产生孔隙。然而，通过适当的工艺改进，可以获得相对致密的DED-EB/W部件。使用回收钛丝制成的部件展现出相当的极限抗拉强度和断裂伸长率。这些积极的结果为未来在某些应用中使用回收焊丝进行DED-EB/W工艺带来了希望。