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粉末快速成形技术对比: SLM vs EBM

 

粉末快速成形技术对比: SLM vs EBM

 

1. 设备原理和参数对比

SLM和EBM设备都是以高能束流为热源,根据CAD分层数据选择性的扫描熔化粉床上的金属粉末,逐层累计叠加形成金属零件。SLM和EBM设备的技术特点如表1所示,其差异主要有三方面:(1)热源不同,SLM采用激光为热源和EBM采用电子束作为热源。金属材料对激光都存在不同程度反射,因此SLM对能量的利用率不及EBM,但是SLM的束斑相对于EBM更小一些,更有利于成形精细的零件特征和复杂的零件形状。EBM能量利用率高,更有利于制造高导热金属、高温合金、高熔点金属零件,如紫铜、Inconel 700、钼合金等。(2)成形工作环境不同,SLM技术在惰性气体条件下熔化成形,EBM技术在真空条件下熔化成形,相比较EBM技术更有利于避免零件加工过程的氧化和增氧;(3)工作成形热温度不同,SLM最多可预热温度300℃,EBM技术可采用电子束扫描对每一层金属粉末扫描预热,使零件在600~1200℃范围内加工成形,可大幅减小成形零件的残余应力。

对比1.png 

2 由于设备工作原理的不同,造成所制造出零件特征也有明显得的差异,具体如表2所示。总体上比较,SLM技术制造的零件具有更好的表面质量和更准确的结构细微特征,非常适合具制造领域的应用,但是在某些医疗植入领域,表面粗糙的EBM零件更受欢迎。另外,EBM零件变形和应力开裂的情况更少一些。


SLM1.png   SBM1.png


3. 金属组织和力学性能对比

SLM与EBM相比,SLM成形过程在较低温度下进行,熔池冷却速度快,更容易形成马氏体等的快冷组织,EBM生产过程通常在退火温度以上进行,熔池冷却速度缓慢。美国Morris Technologies公司进行了Ti-6Al-4V材料SLM和EBM对比生产试验,如图3 是对比试验SLM与EBM零件金相组织对比,左边图中基本都是很细的针状马氏体,右边图中有大量针状α相,由此可以看出SLM和EBM零件的金属组织存在明显得差异。金属组织的差异必然也会引起零件力学性能的不同,如表3是对比试验试样拉伸试验性能数据,可以看出,SLM试样的强度无论是水平方向还是竖直方向都比EBM试样高,塑性都EBM要低。但是两种工艺形成的试样经过热等静压后组织基本一致,力学性能也差不多。

对比3.png   

4.SLM与EBM技术各自的缺点:

 

EBM①受制于电子束无法聚到很细,该设备的成型精度还有待进一步提高。②成型前需长时间抽真空,便得成型准备时间很长;且抽真空消耗相当多电能,总机功耗中,抽真空占去了大部分功耗。③成型完毕后,由于不能打开真空室,热量只能通过辐射散失,降温时间相当漫长,降低了成型效率。④真空室的四壁必须高度耐压,设备甚至需采用厚度达15mm以上的优质钢板焊接密封成真空室,这使整机的重量比其他3D打印直接制造设备重很多。⑤为保证电子束发射的平稳性,成型室内要求高度清洁,因而在成型前,必须对真空室进行彻底清洁,即使成型后,也不可随便将真空室打开,这也给工艺调试造成了很大的困难。⑥由于采用高电压,成型过程会产生较强的X射线,需采取适当的防护措施。

SLM:零件尺寸有限,目前最大一个方向限于40CM;②不适于零件的大批量生产,

5. 结论

从以上对比分析中可知,目前两种工艺各有各的特点和优势,分别可应用在不同的领域。SLM在零件细节特征和复杂程度方面更具有优势,而EBM在控制零件残余应力方面好于SLM,而且EBM技术生产零件可以不进行热处理。

 

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