電子束金屬3D打印技術(shù)大變革：GE點(diǎn)熔化,、粉末支撐、無底板

南極熊導(dǎo)讀：電子束金屬3D打印技術(shù)迎來重大變革,，GE實(shí)現(xiàn)點(diǎn)熔化,、粉末支撐、無底板打印了,。

2024年9月2日,，南極熊獲悉，在今年6月份舉辦的RAPID+TCT2024展會(huì)上,，通用電氣航空航天公司（GE）旗下新近更名的Colibrium Additive發(fā)布了多項(xiàng)突破性產(chǎn)品,，主要包括：

1.      軟件：EBM Control 6.4，這是其核心電子束粉末床熔合 (PBF-EB) 軟件的升級(jí)版,。Colibrium指出EBM Control 6.4具備了三個(gè)最重要的更新功能,，分別是點(diǎn)熔化（Point Melt）、粉末支撐（Powder Supports）和無底板（Plate Free）打印技術(shù),；

2.      設(shè)備：Spectra 系列電子束粉末床熔融 (EB-PBF) 打印機(jī)的最新款——SpectraM,，以及Colibrium Additive Spectra L 打印機(jī)，這兩款打印機(jī)均可運(yùn)行EBM Control 6.4軟件,；

3.      材料：粗粒徑鈦合金粉末（Ti64）用于激光粉末床熔融設(shè)備的解決方案,；

△SpectraM 3D 打印機(jī)。圖片來自 Colibrium Additive,。

點(diǎn)熔,、粉末支撐和無板打印術(shù)

Spectra M 款打印機(jī)配備了新推出的 EBMControl 6.4，兼容PointMelt,、Powder Supports 和 Plate Free 技術(shù),。根據(jù)應(yīng)用,，客戶可以選擇高生產(chǎn)率主題或先進(jìn)的 Point Melt 工藝功能，旨在實(shí)現(xiàn)無支撐打印,，而不會(huì)影響表面粗糙度或機(jī)械性能,。

△Colibrium擁有 Spectra 機(jī)器和配套的 EBMControl6.4 軟件

此外，Colibrium Additive 發(fā)布了 EBMControl 6.4,，這是對其 EB-PBF 軟件的一次重大升級(jí),。此次升級(jí)包括 Point Melt、Powder Supports 和 Plate Free 等創(chuàng)新功能,，適用于新款 Spectra M 和現(xiàn)有的 Spectra L 打印機(jī),。

點(diǎn)熔技術(shù)（Point Melt）通過小“點(diǎn)”而不是線來熔化金屬粉末，從而實(shí)現(xiàn)更精確的溫度控制并降低溫度梯度,。Colibrium聲稱,，這可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的各向同性材料性能，并顯著提高屈服強(qiáng)度,，從而實(shí)現(xiàn)更大的取向自由度并改善表面粗糙度,。一份新聞稿解釋說，使用 Point Melt 制造的部件具有出色的表面粗糙度,，與激光粉末床熔合相當(dāng),。對此,，Colibrium Additive 高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Oscar Angervall解釋道：“ Point Melt 采用自適應(yīng)軟件算法進(jìn)行控制,，標(biāo)志著熔化掃描策略的重大變革。金屬部件可從減少構(gòu)建懸垂結(jié)構(gòu)所需的支撐和提高表面質(zhì)量中受益,�,！�

△通過EBM Point Melt 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)控制。圖片來自 Colibrium Additive,。

粉末支撐技術(shù)（PowderSupports）一種在構(gòu)建過程中設(shè)計(jì)部件支撐結(jié)構(gòu)的新解決方案,，顯著減少或消除了構(gòu)建過程中對支撐結(jié)構(gòu)的需求，保持了尺寸精度,，同時(shí)降低了后處理成本,。之前一般都是SLS 激光燒結(jié)中，尼龍,、TPU等高分子粉末材料才可以實(shí)現(xiàn)粉末支撐,，現(xiàn)在GE實(shí)現(xiàn)了金屬粉末的自支撐。

無底板打印技術(shù)（PlateFree）是傳統(tǒng)“啟動(dòng)板加熱”的替代方案,，它提供了一種經(jīng)濟(jì)高效,、無需干預(yù)的構(gòu)建方式，減少了機(jī)器周轉(zhuǎn)時(shí)間和污染風(fēng)險(xiǎn),，并允許每次機(jī)器周轉(zhuǎn)進(jìn)行多次構(gòu)建,。在無板加熱啟動(dòng)過程中,，粉末逐漸燒結(jié)到可以在其上構(gòu)建零件的程度，從而帶來質(zhì)量和成本方面的優(yōu)勢,。這些優(yōu)勢包括：

• 減少機(jī)器周轉(zhuǎn)時(shí)間并減少對操作員的依賴,；
• 降低污染風(fēng)險(xiǎn)，延長陰極壽命,；
• 每臺(tái)機(jī)器周轉(zhuǎn)一次即可啟動(dòng)多個(gè)構(gòu)建任務(wù),；
• 消除對一個(gè)笨重、空間大且昂貴的耗材的需求,；
  

此外,，Plate Free 與Start Plate Heating 均設(shè)置了主題，因此無需在打印任務(wù)之間進(jìn)行切換,。

與Seurat區(qū)域燒結(jié)金屬3D打印技術(shù)對比

與上述提及的GE點(diǎn)熔打印技術(shù)中采用“點(diǎn)狀”高能束熔化粉末類似,，此前的 Seurat公司同樣開發(fā)出了一種區(qū)域燒結(jié)金屬3D打印技術(shù)。Seurat的專利技術(shù)在原理上與SLM技術(shù)近似,，但仍有不同點(diǎn),，Seurat的這種新技術(shù)不是增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量,。常規(guī)的金屬增材制造系統(tǒng)的光斑直徑為100微米,，對于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進(jìn)行掃描打印,。而Seurat系統(tǒng)將200萬個(gè)激光點(diǎn)射向15平方毫米的方形區(qū)域,，每個(gè)光點(diǎn)的直徑大約為10微米，也就是說一次打印一個(gè)區(qū)域,。該技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式為：

1. 脈沖紅外激光源的光束整形可產(chǎn)生均勻的方形場,。

2. 使用藍(lán)光投影儀生成與方形激光束大小相同的區(qū)域圖案投影,對齊兩束光束。

3. 通過光學(xué)可尋址光閥 (OALV)水平偏振紅外激光束,，其中藍(lán)光和紅外光“像素”重疊,。垂直偏振，紅外和藍(lán)色不重疊,。

4. 分離垂直和水平偏振紅外激光束,，從而通過掃描儀系統(tǒng)進(jìn)一步處理區(qū)域圖案，以在圖案區(qū)域中熔化粉末床,。

南極熊剖析一下,，可能你會(huì)更容易理解這個(gè)技術(shù)的厲害之處：

• 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當(dāng)于15平方毫米,，而常規(guī)單激光100微米直徑的光斑面積僅僅為0.0078平方毫米,，兩者相差近1000倍，也就是說最多可以實(shí)現(xiàn)單激光系統(tǒng)1000倍以上的熔融效率,；
• 在激光打印精度分辨率上,，Seurat的精度卻能達(dá)到傳統(tǒng)單激光的10倍,。
  

在本文中提及的GE點(diǎn)熔打印技術(shù)是將能量源從激光變成了電子束，所采用的投射方式與Seurat相同,。南極熊猜測,，這里提及的點(diǎn)狀激光應(yīng)為脈沖激光模式，與常規(guī)的連續(xù)激光模式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),。

常規(guī)SLM技術(shù)多數(shù)采取的是連續(xù)激光模式,，它是連續(xù)激光器以恒定的功率輸出激光，不間斷地提供激光能量,。連續(xù)激光器可以提供恒定的能量輸入,，適合于快速打印大面積結(jié)構(gòu)，提高整體的打印效率,。此外,，由于能量輸入連續(xù)穩(wěn)定，連續(xù)激光器在打印過程中能維持穩(wěn)定的熱輸入,，有助于保證打印件的均勻性和一致性,。相對于脈沖激光器，連續(xù)激光器的設(shè)計(jì)和制造成本通常較低,，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,。但是，連續(xù)激光由于長時(shí)間的熱輸入,，容易導(dǎo)致材料周圍產(chǎn)生較大的熱影響區(qū),，可能引起變形或殘余應(yīng)力。熱輸入較高也會(huì)導(dǎo)致打印部件的細(xì)節(jié)分辨率較低,，不適合超精細(xì)結(jié)構(gòu)的制造,。

與之對應(yīng)的脈沖激光以極高的功率輸出短時(shí)間的光脈沖，每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間通常在納秒到飛秒級(jí)別,。脈沖激光能量在非常短的時(shí)間內(nèi)集中釋放，通常能達(dá)到更高的峰值功率,。脈沖激光可以實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的加工,，適合制造微小的、復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。由于脈沖時(shí)間短,，可以減少熱影響區(qū)，避免材料過度熔化或熱變形,。由于其高峰值功率和短脈沖時(shí)間,，脈沖激光可以產(chǎn)生更高的分辨率，適合用于高精度需求的應(yīng)用場景,。但是由于脈沖模式的特性,，脈沖激光通常需要更多的時(shí)間來覆蓋相同的面積,，導(dǎo)致整體打印速度較慢。想要實(shí)現(xiàn)高效率的打印效率,，就需要在激光投射方式和激光器上做出更多的改動(dòng),，以實(shí)現(xiàn)更大面積的激光覆蓋，這也是Seurat激光系統(tǒng)的核心之處,。當(dāng)然,，這樣會(huì)使得激光器的制造和維護(hù)成本升高，增加了設(shè)備的復(fù)雜性和成本,。

綜上而言,，點(diǎn)狀的脈沖激光適合于高精度、高分辨率的微細(xì)加工應(yīng)用,，尤其是在處理對熱敏感的材料時(shí)表現(xiàn)優(yōu)越,，但打印速度較慢，設(shè)備成本較高,。連續(xù)激光則適合大面積,、快速制造的應(yīng)用場景，具有更高的效率和穩(wěn)定性,，但在細(xì)節(jié)和熱管理方面可能不如脈沖激光,。

Spectra M 電子束熔融（EB-PBF）打印機(jī)

規(guī)格：

• 技術(shù)原理：金屬電子束熔煉（EB-PBF）
• 構(gòu)建體積： Ø270 x 430 毫米。
• 光束功率： 4.5 kW
• 材料： Ti6Al4V 5 級(jí)和Ti6Al4V 23 級(jí)
  

Spectra M新款打印機(jī)的推出了豐富了Colibrium Additive的電子束熔融（EB-PBF）打印機(jī)系列產(chǎn)品,，公司已有的三款 EMB 機(jī)器分別是：Q10plus,、SpectraL 和 Spectra H。該機(jī)器現(xiàn)已接受訂購,，預(yù)計(jì)首批交貨時(shí)間為 2025 年第一季度初,，它滿足了對較小構(gòu)建體積 EB-PBF 打印機(jī)的需求，同時(shí)保持了電子束熔化技術(shù)的設(shè)計(jì)自由度和生產(chǎn)力優(yōu)勢,。

Spectra M 的開發(fā)是為了滿足增材制造商的特定需求,，尤其是醫(yī)療和骨科植入物行業(yè)的制造商。Spectra M 較小的構(gòu)建體積為降低單件成本和總體生產(chǎn)成本提供了解決方案,。Spectra M版本的機(jī)器規(guī)格為Ø270 x 430 毫米的構(gòu)建體積和 4.5 千瓦的光束功率,，比 Q10plus 更大，支持 Ti6Al4V Grade 5 和 Ti6Al4V Grade 23 等材料,。Colibrium表示這允許它更加經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)骨科植入物,。M版本和 Q10plus 之間的區(qū)別在于 M 中有一個(gè)全新的圓柱形構(gòu)建室和一個(gè)更強(qiáng)大的電子束（4.5 kW 對 3 kW）。SpectraM 旨在處理 Ti6Al4V 5 級(jí)和 23 級(jí)材料,，就像它的“大哥” Spectra L 一樣,，也配備了 4.5 kW 電子束。

Colibrium Additive 高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理 Oscar Angervall 強(qiáng)調(diào)了客戶反饋在開發(fā)過程中的重要性,，他表示：“擁有經(jīng)驗(yàn)豐富,、長期使用的最大用戶群,，為我們不斷改進(jìn)產(chǎn)品組合提供了寶貴的見解和幫助，以提供滿足他們特定需求的 EB-PBF 技術(shù),，因?yàn)樗麄儗⒗^續(xù)擴(kuò)大增材制造業(yè)務(wù),。Spectra M 直接響應(yīng)了我們與客戶之間的持續(xù)對話，尤其是骨科植入物行業(yè)的增材制造用戶,�,！�

粗 Ti64粉末材料L-PBF應(yīng)用方案

此外， GE Aerospace 的金屬粉末公司AP&C還推出了一種粗 Ti64 粉末解決方案,，旨在降低零件成本,。這種材料采用 15-45 μm 和 15-53μm 范圍內(nèi)的較大尺寸顆粒，與傳統(tǒng)用于激光粉末床熔合 (L-PBF) 的細(xì)粉末相比,，通常被認(rèn)為是粗顆粒,。盡管尺寸較大，但這些顆粒保持了高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),，適用于航空航天和骨科領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用,。這種新粉末經(jīng)過驗(yàn)證，可用于 Colibrium Additive 的 M2 激光 PBF 平臺(tái),，其質(zhì)量與細(xì)粉末相同,，但顆粒尺寸更大，因此更具成本效益且更安全,。粗Ti64 粉末反應(yīng)性較低,，可降低污染風(fēng)險(xiǎn)并提高材料的可重復(fù)使用性。

粗 Ti64 粉末解決方案代表著在降低增材制造成本的同時(shí)保持高質(zhì)量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)方面邁出了重要一步,。這項(xiàng)創(chuàng)新符合行業(yè)對更具成本效益的粉末的需求,，并努力最大限度地減少增材制造對環(huán)境的影響。

GE Aerospace還表示,，其 3系列金屬粘合劑噴射系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,。雖然這家企業(yè)巨頭投入了大量資源來開發(fā)這種粘合劑噴射解決方案，但Colibrium 在 RAPID+TCT 上的聲明反映了GE 增材制造部門在其產(chǎn)品線中的持續(xù)進(jìn)展,。粘合劑噴射顯然對于開拓蓬勃發(fā)展的市場至關(guān)重要.

Colibrium Additive 近期取得的里程碑

作為戰(zhàn)略調(diào)整的一部分,，Colibrium Additive 從 GE Additive 更名而來，目前隸屬于 GE Aerospace,。此次轉(zhuǎn)變包括逐步淘汰 Concept Laser 和 Arcam EBM 品牌，同時(shí)更新 AP&C 的品牌,，使其與 GE Aerospace 的形象更加一致,。

新名稱 Colibrium Additive 源自“協(xié)作(collaborative)”和“平衡(equilibrium)”的融合。該公司于 2016 年收購Concept Laser 和 Arcam后成立,，此次更名旨在將公司的增材制造能力統(tǒng)一到航空航天領(lǐng)域的一個(gè)有凝聚力的品牌下,。

在其他地方,，Colibrium Additive為辛辛那提動(dòng)物園11 歲的大猩猩Gladys制造了專門的3D 打印鈦鑄件，以治療其肱骨骨折,。這款先進(jìn)的鑄件經(jīng)過精心設(shè)計(jì),，可承受 Gladys 的自然活動(dòng)并防止進(jìn)一步受傷，并經(jīng)過量身定制,，以滿足大猩猩獨(dú)特的治療挑戰(zhàn),。據(jù)動(dòng)物園官員稱，Colibrium Additive 的快速生產(chǎn)周轉(zhuǎn)凸顯了其在滿足精確醫(yī)療要求方面的有效性,。