粉末床的案例
聚合物粉末床融合技術(shù)將成為3D打印領(lǐng)域增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域
對(duì)于經(jīng)典且仍然廣泛采用的激光燒結(jié)工藝，聚合物技術(shù)從金屬粉末床熔合領(lǐng)域在工業(yè)化方面的努力中獲益匪淺 - 以及金屬技術(shù)突然超越聚合物打印機(jī)的領(lǐng)域。這些努力已經(jīng)產(chǎn)生了新的和越來(lái)越普遍的聚合物粉末床融合硬件，其具有自動(dòng)化粉末處理和拆包，可拆卸構(gòu)建模塊以在冷卻循環(huán)期間更長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間，并且更加強(qiáng)調(diào)高溫打印能力以擴(kuò)展材料選擇。
包括中國(guó)在內(nèi)的亞太地區(qū)的綜合地理區(qū)域?qū)⑻魬?zhàn)北美和歐洲地區(qū)對(duì)粉末床融合3D打印機(jī)的投資，預(yù)計(jì)2019年將比其他任何地區(qū)在粉末床融合系統(tǒng)上花費(fèi)更多。
來(lái)源：南極熊3D打印
國(guó)產(chǎn)高精度粉末床電子束3D打印機(jī)，賽隆金屬束斑直徑≤50μm，能量密度提高10倍
他們本次帶來(lái)了國(guó)產(chǎn)高精度粉末床電子束3D打印設(shè)備，使用自行研制的最小束斑直徑≤50μm的高精度電子束，實(shí)現(xiàn)重大突破。
粉末床電子束3D打印技術(shù)是當(dāng)前金屬3D打印技術(shù)的前沿?zé)狳c(diǎn)，它的原理是利用高能電子束，在真空保護(hù)下高速掃描加熱預(yù)置的金屬粉末，通過(guò)逐層熔化疊加，成形多孔、致密或多孔-致密復(fù)合結(jié)構(gòu)的三維零件。該技術(shù)具有能量利用率高、掃描速度快、成形效率高、真空潔凈、打印后零件無(wú)需線切割等優(yōu)點(diǎn)，特別適合高熔點(diǎn)、活性、脆性難加工金屬材料復(fù)雜精密構(gòu)件的高質(zhì)量成形，在航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。尤其在生物醫(yī)療人工植入件制造方面，粉末床電子束3D打印技術(shù)是國(guó)際上最早，也是當(dāng)前主要獲準(zhǔn)批量打印三類醫(yī)用植入金屬材料的3D打印技術(shù)，據(jù)報(bào)道目前已有幾十萬(wàn)例采用該技術(shù)打印的鈦合金髖關(guān)節(jié)成功植入了人體。
相對(duì)于光斑≤50μm的粉末床激光3D打印設(shè)備，目前粉末床電子束3D打印設(shè)備廠商開(kāi)發(fā)的電子的束斑直徑均在100μm以上，加上采用43~106μm相對(duì)較粗的粉末，打印零件表面相對(duì)粗糙，大大影響了該技術(shù)在高精密復(fù)雜零件中的廣泛應(yīng)用。提高電子束的聚焦精度，降低束斑直徑一直都是粉末床電子束3D打印設(shè)備廠商突破的核心關(guān)鍵技術(shù)。
△Sailong G型高精度粉末床電子束3D打印機(jī)
近來(lái)專業(yè)從事粉末床電子束3D打印技術(shù)與裝備研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的賽隆金屬通過(guò)優(yōu)化電子光學(xué)系統(tǒng)和高壓逆變電源，研制出了最小束斑直徑≤50μm的高精度電子束，在此基礎(chǔ)上成功推出了Sailong G型高精度粉末床電子束3D打印機(jī)，能量密度提高了10倍以上，具有“跳轉(zhuǎn)快、定位準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)”等優(yōu)點(diǎn)，非常適合復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件的快速成形，大大拓展了該技術(shù)的應(yīng)用。
展開(kāi) 國(guó)產(chǎn)高精度粉末床電子束3D打印機(jī)，賽隆金屬束斑直徑≤50μm，能量密度提高10倍
他們本次帶來(lái)了國(guó)產(chǎn)高精度粉末床電子束3D打印設(shè)備，使用自行研制的最小束斑直徑≤50μm的高精度電子束，實(shí)現(xiàn)重大突破。
粉末床電子束3D打印技術(shù)是當(dāng)前金屬3D打印技術(shù)的前沿?zé)狳c(diǎn)，它的原理是利用高能電子束，在真空保護(hù)下高速掃描加熱預(yù)置的金屬粉末，通過(guò)逐層熔化疊加，成形多孔、致密或多孔-致密復(fù)合結(jié)構(gòu)的三維零件。該技術(shù)具有能量利用率高、掃描速度快、成形效率高、真空潔凈、打印后零件無(wú)需線切割等優(yōu)點(diǎn)，特別適合高熔點(diǎn)、活性、脆性難加工金屬材料復(fù)雜精密構(gòu)件的高質(zhì)量成形，在航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。尤其在生物醫(yī)療人工植入件制造方面，粉末床電子束3D打印技術(shù)是國(guó)際上最早，也是當(dāng)前主要獲準(zhǔn)批量打印三類醫(yī)用植入金屬材料的3D打印技術(shù)，據(jù)報(bào)道目前已有幾十萬(wàn)例采用該技術(shù)打印的鈦合金髖關(guān)節(jié)成功植入了人體。
相對(duì)于光斑≤50μm的粉末床激光3D打印設(shè)備，目前粉末床電子束3D打印設(shè)備廠商開(kāi)發(fā)的電子的束斑直徑均在100μm以上，加上采用43~106μm相對(duì)較粗的粉末，打印零件表面相對(duì)粗糙，大大影響了該技術(shù)在高精密復(fù)雜零件中的廣泛應(yīng)用。提高電子束的聚焦精度，降低束斑直徑一直都是粉末床電子束3D打印設(shè)備廠商突破的核心關(guān)鍵技術(shù)。
△Sailong G型高精度粉末床電子束3D打印機(jī)
近來(lái)專業(yè)從事粉末床電子束3D打印技術(shù)與裝備研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的賽隆金屬通過(guò)優(yōu)化電子光學(xué)系統(tǒng)和高壓逆變電源，研制出了最小束斑直徑≤50μm的高精度電子束，在此基礎(chǔ)上成功推出了Sailong G型高精度粉末床電子束3D打印機(jī)，能量密度提高了10倍以上，具有“跳轉(zhuǎn)快、定位準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)”等優(yōu)點(diǎn)，非常適合復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件的快速成形，大大拓展了該技術(shù)的應(yīng)用。
展開(kāi) Uniform Wares 腕表表鏈中的粉末床熔融3D打印技術(shù)
腕表制造商Uniform Wares 推出了一款帶有金屬3D打印表鏈的腕表，表鏈?zhǔn)怯赦伜辖?em>粉末材料制造的，包含一個(gè)獨(dú)特的表扣。表鏈的設(shè)計(jì)利用了粉末床激光熔融這一3D打印技術(shù)制造復(fù)雜性結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，由4,000多個(gè)鏈環(huán)組成，這些鏈環(huán)相互連接，形成堅(jiān)固輕巧的結(jié)構(gòu)。
圖片來(lái)源：Uniform Wares
復(fù)雜設(shè)計(jì)使表鏈保持足夠柔韌性
與傳統(tǒng)的網(wǎng)狀帶不同，金屬3D打印表鏈中每個(gè)鏈節(jié)是不對(duì)稱的，表鏈的每一側(cè)都具有不同的彎曲半徑，佩戴起來(lái)更加輕松，同時(shí)表鏈能夠能夠保持足夠的柔韌性。
表鏈還采用了一種新型的方向扣設(shè)計(jì)，其微型“牙齒”被整合到表扣內(nèi)部，與表鏈本身的編織相互聯(lián)系。3D科學(xué)谷了解到這種設(shè)計(jì)方式只能通過(guò)金屬3D打印技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)，傳統(tǒng)方法在制造此類結(jié)構(gòu)時(shí)需要用到焊接。
圖片來(lái)源：Uniform Wares
表鏈?zhǔn)怯蒛niform Wares 和增材制造設(shè)計(jì)企業(yè)Betatype 合作進(jìn)行的，制造設(shè)備為雷尼紹AM250 粉末床激光熔融設(shè)備。
Betatype 在設(shè)計(jì)和制造時(shí)采用的思路是使用盡可能少的材料實(shí)現(xiàn)表鏈的功能，經(jīng)過(guò)手工整理后，最后的表帶非常堅(jiān)固，但是重量比傳統(tǒng)制造的米蘭網(wǎng)眼表鏈輕得多，重量只有10.5克（0.37盎司）。
3D科學(xué)谷Review
粉末床熔融3D打印技術(shù)為設(shè)計(jì)提供了自由度， 有了這種自由，產(chǎn)品性能的潛力就超出了我們之前所知的水平。不過(guò)，通過(guò)3D打印技術(shù)去進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新并非易事，這需要企業(yè)培養(yǎng)增材制造設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)造能力。
雖然相比已經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用的傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)說(shuō)3D打印并不成熟，但是這一技術(shù)已具備生產(chǎn)零部件的能力。
展開(kāi) 
衛(wèi)星制造商THALES將粉末床3D打印用于衛(wèi)星支架量產(chǎn)
設(shè)計(jì)與制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)存在著很高的技術(shù)壁壘，這是由于的設(shè)計(jì)文件非常龐大、復(fù)雜，巨大的文件為建模和文件準(zhǔn)備帶來(lái)了困難，也給制造帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，尤其是像Thales Alenia Space公司使用的鈦合金材料，將表現(xiàn)出顯著的殘余應(yīng)力，點(diǎn)陣的微小結(jié)構(gòu)將因殘余應(yīng)力而產(chǎn)生熱變形，如果粉末床打印設(shè)備中的鋪粉粉刷的材質(zhì)過(guò)于剛性，則易將剛剛構(gòu)建好的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞掉。
衛(wèi)星輕量化和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)毫不遜色。例如中國(guó)空間技術(shù)研究院（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部/501部），在3D打印方面已經(jīng)擁有多年的經(jīng)驗(yàn)，形成了面向增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合設(shè)計(jì)及增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行全新的衛(wèi)星設(shè)計(jì)。
來(lái)源：3D科學(xué)谷
展開(kāi) SAF 粉末床技術(shù)用于大規(guī)模生產(chǎn)！DyeMansion和Stratasys聯(lián)手
紅外燈會(huì)跟隨噴頭從左到右對(duì)整個(gè)打印床范圍內(nèi)的成像層進(jìn)行熔接。通過(guò)反復(fù)執(zhí)行這些關(guān)鍵工藝步驟，這項(xiàng)技術(shù)能夠確保熱能均勻覆蓋。因此，無(wú)論打印部件被安裝在什么位置，都能獲得極好的一致性。
△Stratasys H350?3D打印機(jī)
SAF技術(shù)獨(dú)創(chuàng)的Big Wave?粉末管理系統(tǒng)能夠確保粉末始終分布于整張打印床上，并維持大面積、均勻的熱能。任何溢出的粉末都會(huì)被快速循環(huán)，最大限度減少粉末的暴露，降低粉末老化率。這不僅減少了所需的新鮮粉末量，也降低了運(yùn)營(yíng)成本。
△Stratasys的SAF技術(shù)特點(diǎn)是使用反向旋轉(zhuǎn)輥將粉末層涂覆到打印床上，并施加吸收劑流體，使零件層成像。然后，當(dāng)紅外（IR）燈通過(guò)整個(gè)打印臺(tái)時(shí)，這些成像層將融合在一起。這些處理步驟在整個(gè)床層上以相同的方向執(zhí)行，以確保所有零件的均勻一致性和熱穩(wěn)定。圖片由Dyemansion提供。
SAF技術(shù)可以選擇性地將高能熱敏劑HAF?噴射到粉床上，工業(yè)壓電打印頭的寬度橫跨整個(gè)打印幅面，通過(guò)精密控制噴射單滴或多滴液體至粉床上，從而繪出精細(xì)細(xì)節(jié)或一整個(gè)橫截面，確保產(chǎn)量不受影響。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)使用獨(dú)特的溶劑配方，可處理各種粉末。利用紅外光輻射熱敏劑噴射覆蓋的區(qū)域，對(duì)區(qū)域及下層顆粒進(jìn)行熔融。精密的熱量控制可避免產(chǎn)生變形或出現(xiàn)質(zhì)量下降，還能降低打印床所需的峰值溫度，使SAF技術(shù)成為理想的生產(chǎn)選擇。
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展開(kāi) 研究電子束金屬3D打印：集成X射線、熱成像、可見(jiàn)光等成像技術(shù)
電子束粉末床熔融（EB-PBF）金屬3D打印技術(shù)利用電子束對(duì)粉末床進(jìn)行預(yù)熱和選擇性熔化，逐層堆積制造三維零件。由于電子束的能量轉(zhuǎn)換率高，不同材料對(duì)電子束能量的吸收率都很高，利用電子束掃描粉末床，可以預(yù)熱到1000℃，大大減小了熔融沉積過(guò)程的熱應(yīng)力。
△Luis Izet Escano使用團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的設(shè)備研究3D打印制造的金屬零件結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)IZET ESCANO
2022年4月19日，南極熊獲悉，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的工程師將特殊的高能X射線、熱成像、可見(jiàn)光相結(jié)合，研究新的3D打印技術(shù)，制造先進(jìn)的金屬零件，以更好地了解（并改進(jìn)）有前途的制造方法。
預(yù)防3D打印零件的缺陷很重要。為了更多地了解電子束粉末床融合的3D打印工藝，由助理教授陳連毅領(lǐng)導(dǎo)的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新系統(tǒng)，允許他們使用同步加速器X射線實(shí)時(shí)觀察各個(gè)打印流程，包括正在打印的部件內(nèi)部等。
“電子束金屬3D打印技術(shù)，目前發(fā)展速度非常快，”陳連毅說(shuō)。“這是制造航空航天零件的一項(xiàng)重要技術(shù)——例如，可用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁化鈦零件。目前其他的3D打印技術(shù)還無(wú)法制造這些。”
電子束粉末床熔合始于基底上的金屬粉末基底。電子束熔化并融合新的粉末層，以自下而上構(gòu)建零件。雖然這個(gè)過(guò)程聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但該技術(shù)還處于早期階段，還有很多問(wèn)題需要研究。比如隱藏在金屬層中的缺陷，隨時(shí)可能會(huì)在沒(méi)有預(yù)兆的情況下導(dǎo)致故障。
△威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程師團(tuán)隊(duì)所使用的增材制造裝置一角。圖片來(lái)IZET ESCANO
“這是我們第一次有能力看到表面之下發(fā)生了什么——形成缺陷的機(jī)制是什么，”陳說(shuō)。“通過(guò)對(duì)打印流程的更深入了解，我們可以持續(xù)改進(jìn)此技術(shù)，將質(zhì)量提升到更高的水平。”
展開(kāi) 粒度和形狀在金屬增材制造中的作用和測(cè)量
然而，由此產(chǎn)生的粉末對(duì)于增材制造工藝來(lái)說(shuō)并不理想，需要更窄的粒度分布才能產(chǎn)生厚度一致的粉末層。因此，這一過(guò)程還需要應(yīng)用各種后霧化工藝來(lái)獲得所需的尺寸分?jǐn)?shù)，包括“剝皮”過(guò)程以去除過(guò)大的顆粒，然后進(jìn)行空氣分級(jí)或篩分。
△用于制造金屬粉末的氣體霧化工藝示意圖，顯示了可以使用激光衍射的點(diǎn)。
球形顆粒最適合粉末床增材制造，因?yàn)樗鼈兙哂懈玫奶畛湫院土鲃?dòng)性。氣體霧化顆粒相對(duì)呈球形，當(dāng)然也可能具有其他可能，例如小顆粒和較大顆粒在霧化過(guò)程中融合或凝聚形成不規(guī)則形狀。這不僅會(huì)影響粉末的流動(dòng)性和堆積，而且這些顆粒非常小（通常為1-10 微米），分離工作也會(huì)使它們通過(guò)空氣傳播，并對(duì)健康和安全造成風(fēng)險(xiǎn)。一種方法是通過(guò)等離子霧化或等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP) 可以生產(chǎn)更多球形顆粒，但價(jià)格較高。
△激光衍射測(cè)量背后的原理，來(lái)自最佳位置的探測(cè)器拾取的分散顆粒的衍射光。
隨后，白皮書針對(duì)激光衍射、自動(dòng)圖像分析、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)圖像分析等方法對(duì)于粉末粒度和形狀測(cè)量進(jìn)行的闡述。并最終表示，金屬粉末顆粒的大小和形狀影響粉末床的堆積和流動(dòng)性。反過(guò)來(lái)，這些功能會(huì)影響增材制造組件的構(gòu)建質(zhì)量和最終屬性。因此，了解和優(yōu)化粒度和形狀對(duì)于粉末床增材制造的成功至關(guān)重要。而激光衍射和自動(dòng)圖像分析是互補(bǔ)工具，可用于表征和優(yōu)化粉末床增材制造工藝的金屬粉末。
此外，南極熊還附上了相關(guān)的另一份白皮書：用于粒度分析的采樣，方便感興趣的小伙伴進(jìn)行進(jìn)一步探索。
白皮書地址：https://pan.baidu.com/s/1_njxDupmXInrk3wknGmCag 提取碼：5reh
展開(kāi) 易加三維將攜四激光、雙激光金屬打印機(jī)、SLS尼龍燒結(jié)打印機(jī)亮相2021TCT
△國(guó)家會(huì)展中心（上海） 7.1H號(hào)館
參展設(shè)備
EP-M650金屬3D打印機(jī)
EP-M650采用MPBF金屬粉末床熔化技術(shù)，成型室尺寸可達(dá)655*655*800mm3，四激光四振鏡配置，多激光精準(zhǔn)定位+拼接區(qū)精度控制技術(shù)，保證了高效生產(chǎn)和打印品質(zhì)的均一穩(wěn)定，成型速度最大可達(dá)120cm3/h,。可打印鈦合金、鋁合金、鎳基高溫合金、模具鋼、不銹鋼、鈷鉻鉬等材料，適于航空航天、軍工等領(lǐng)域大尺寸、高精度和高性能零部件的直接制造。
EP-M300金屬3D打印機(jī)
EP-M300成型室空間可達(dá)305*305*450mm3、尺寸精度高、致密度近乎100%、采用單雙激光選配模式，打印效率快，優(yōu)化風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，適用于模具工具部門快速打印高性能部件，也可用于研發(fā)部門開(kāi)發(fā)產(chǎn)品原型和個(gè)性化復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、供應(yīng)鏈部門小批量生產(chǎn)零部件。
EP-P420尼龍3D打印機(jī)
EP-P420采用聚合物粉末床選區(qū)激光燒結(jié)（PPBF）技術(shù)，成型缸尺寸達(dá)420*420*465 mm3，滿足中大型尺寸的零件打印，適用于個(gè)性化定制到小批量生產(chǎn)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。
易加三維
易加三維創(chuàng)立于2014年，致力于研發(fā)和推廣工業(yè)級(jí)3D打印（增材制造）系統(tǒng)與應(yīng)用技術(shù)，是國(guó)內(nèi)3D打印設(shè)備品種齊全、技術(shù)實(shí)力領(lǐng)先的3D打印裝備制造商與應(yīng)用方案提供商。
目前在金屬粉末床熔化(MPBF)、選擇性粉末床燒結(jié)(PPBF)等設(shè)備的設(shè)計(jì)、裝備、工藝、軟件、材料及后處理等方面擁有豐碩的成果，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、鑄造、模具、汽車、科研、醫(yī)療、藝術(shù)等諸多領(lǐng)域，同時(shí)已遠(yuǎn)銷歐美、日韓、東南亞等40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
展開(kāi) LLNL研究人員使用激光束整形來(lái)增強(qiáng)金屬3D打印過(guò)程中的特性
關(guān)于單晶合金，除了激光粉末床熔融3D打印技術(shù)，在電子束粉末床熔融3D打印方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，通過(guò)電子束3D打印來(lái)制備CMSX_4材料也獲得一系列的進(jìn)展。高冷卻速度為合金設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的可能性。通過(guò)選擇性電子束熔化金屬3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)CMSX-4?的無(wú)裂縫加工。通過(guò)采用合適的加工策略，可以直接從粉末床中獲得單晶結(jié)構(gòu)。而實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)金屬3D打印實(shí)現(xiàn)凝固微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)的偏析結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)非常精細(xì)的結(jié)果，與鑄造微觀結(jié)構(gòu)相比要小100倍。因此，均質(zhì)化熱處理時(shí)間也顯著的從幾小時(shí)減少到幾分鐘。
此外，除了通過(guò)對(duì)加工策略的調(diào)整以及對(duì)冷卻速率的控制，美國(guó)HRL 實(shí)驗(yàn)室在2017年還提出了引入納米顆粒來(lái)提升合金材料性能的研究。影響合金材料在增材制造工藝中使用的原因是，打印過(guò)程中材料的熔融和凝固產(chǎn)生了具有大柱晶粒和周期性裂紋的微觀結(jié)構(gòu)。HRL 實(shí)驗(yàn)室表示，可以通過(guò)在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。
而在顆粒增強(qiáng)合金性能方面的研究，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，思萊姆智能科技還開(kāi)發(fā)了納米CrC顆粒混雜增強(qiáng)鎳基高溫合金的復(fù)合材料，由于凝固速度很快，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，仍然保持有納米顆粒的特性，所制造的零件組織細(xì)小致密，且力學(xué)性能優(yōu)異。采用的是選擇性激光融化技術(shù)3D打印技術(shù)，克服了傳統(tǒng)制備方法的局限, 改善了顆粒團(tuán)聚和界面結(jié)合問(wèn)題，并且可以加工成復(fù)雜零件的形狀，而無(wú)需工裝夾具或模具的支持，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中, 材料利用率高。
總之，通過(guò)粉末床熔融技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)高性能材料的方法多種多樣，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，目前使用的方法主要包括對(duì)加工工藝的控制、激光光束的控制、冷卻速度的控制以及使用顆粒增強(qiáng)的方法。
展開(kāi) 設(shè)計(jì)仿真 | Cradle CFD助力金屬3D打印工藝優(yōu)化
其核心原理是通過(guò)噴頭將粘結(jié)劑液滴精準(zhǔn)噴射到金屬粉末床中，逐層粘接粉末并最終燒結(jié)成型。然而，這一過(guò)程中，粘結(jié)劑在粉末床中的滲透行為直接決定了零件的致密度、表面精度和力學(xué)性能。
近期，河北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合海克斯康工業(yè)軟件技術(shù)團(tuán)隊(duì)在金屬BJ工藝的相關(guān)研究中取得突破。通過(guò)Cradle CFD構(gòu)建滲透模型，揭示了溫度對(duì)粘結(jié)劑滲透的雙重作用機(jī)制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
盡管BJ技術(shù)前景廣闊，但其工藝優(yōu)化仍面臨兩大難題：
? 滲透機(jī)理復(fù)雜：液滴的鋪展、滲透受慣性力、重力、粘性力等共同影響，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)；
? 溫度敏感性高：粘結(jié)劑的粘度隨溫度變化顯著，導(dǎo)致工藝穩(wěn)定性難以把控。
粘結(jié)劑與粉末床的相互作用過(guò)程
設(shè)計(jì)案例
技術(shù)亮點(diǎn)
? 差異化網(wǎng)格劃分：針對(duì)液滴、空氣域和粉末床區(qū)域分別優(yōu)化網(wǎng)格密度，既保證界面捕捉精度，又避免計(jì)算資源浪費(fèi)；
? 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證：對(duì)比三種網(wǎng)格方案（節(jié)點(diǎn)數(shù)從165萬(wàn)到736萬(wàn)），最終選擇誤差的中等密度網(wǎng)格，兼顧效率與準(zhǔn)確性。
網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性驗(yàn)證
仿真結(jié)果：溫度如何改寫滲透規(guī)則？
通過(guò)Cradle CFD模擬不同溫度（20℃—40℃ ）下的單液滴與雙液滴滲透過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)揭示了溫度對(duì)粘結(jié)劑行為的雙重影響：
? 縱向滲透增強(qiáng)：溫度升高導(dǎo)致粘結(jié)劑粘度下降，流動(dòng)阻力減小，液滴更易深入粉末床。
? 橫向鋪展受限：高溫下，毛細(xì)力主導(dǎo)液滴向孔隙內(nèi)部滲透，而非持續(xù)橫向擴(kuò)展。
不同溫度下粘結(jié)劑的鋪展形貌
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：從虛擬到現(xiàn)實(shí)的閉環(huán)驗(yàn)證
為驗(yàn)證仿真結(jié)果，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的打印實(shí)驗(yàn)。采用M400Pro金屬3D打印機(jī)，在不同溫度下打印15 mm×10 mm×8 mm的長(zhǎng)方體生坯。
展開(kāi) 
應(yīng)用實(shí)例 | Simufact 增材制造工藝仿真助力保時(shí)捷薄壁件打印
圖1 增材制造工藝鏈
圖 1 展示了排氣管部件的增材制造工藝鏈，采用激光束粉末床熔融技術(shù)進(jìn)行加工，其中在Simufact Additive中仿真模擬了由增材制造打印任務(wù)、熱處理、基板切割支撐移除、熱等靜壓這幾個(gè)關(guān)鍵階段。
圖2：保時(shí)捷 GT2 RS 運(yùn)動(dòng)跑車排氣管部件設(shè)計(jì)變更，打印和后處理
圖 2 顯示了在Simufact Additive中采用鈦合金 Ti-Al6-4V 材料進(jìn)行打印過(guò)程仿真的結(jié)果。仿真計(jì)算過(guò)程中，結(jié)果可實(shí)時(shí)查看。
圖 3：Simufact Additive 仿真結(jié)果（左）打印件掃描結(jié)果（右）
對(duì)于復(fù)雜的自由曲面，采用光學(xué)3D掃描，例如：測(cè)量設(shè)備以及計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）可以精確的測(cè)量打印件的幾何。在本次研究中，CT 圖像結(jié)果被用于評(píng)估仿真工具的可靠性，例如變形情況預(yù)測(cè)和變形補(bǔ)償。從打印結(jié)果可以看出整體精度主要受到粉末床熔融過(guò)程中殘余應(yīng)力（材料以每秒上千度的速度冷卻時(shí)產(chǎn)生的）導(dǎo)致的變形和部件收縮的影響。
圖4：在Simufact Additive里直接進(jìn)行收縮線探測(cè)（左：打印件 右：仿真結(jié)果）
激光束粉末床熔融工藝仿真采用 Simufact Additive 軟件，通過(guò)固有應(yīng)變方法完成求解。CAD 模型采用體素單元進(jìn)行離散化，結(jié)合部件的壁厚，設(shè)置體素單元尺寸為 2mm。仿真結(jié)果包括應(yīng)力分布和變形的預(yù)測(cè)以及最終形狀的輸出。圖 3 對(duì)比了仿真結(jié)果與CT測(cè)量結(jié)果。可以看到仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)量結(jié)果吻合的較好，表面偏置情況和變形量與實(shí)際完全符合。通過(guò) Simufact Additive 進(jìn)一步預(yù)測(cè)了成形缺陷“收縮線”。這些收縮線發(fā)生在匯聚部位的層與層之間，在凝固過(guò)程中留在表面上，外觀可見(jiàn)。
展開(kāi) 電子束金屬3D打印的發(fā)展，落后于激光粉床熔融技術(shù)了嗎？
時(shí)間倒退到80年代末和90年代初，美國(guó)、德國(guó)和瑞典的研究人員開(kāi)始電子束和激光將腔體內(nèi)的金屬粉末床焊接成復(fù)雜的三維形狀。增材制造（AM）的激光粉末床熔融（LPBF）和電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術(shù)由此誕生。LPBF由SLM Solutions和EOS在90年代中期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而EB-PBF則由Arcam AB在1997年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
△EOS的AMCM M 290-2 1kW 激光粉末床融合系統(tǒng)能夠以精細(xì)的幾何精度 3D 打印銅部件
將電子束和激光粉末床熔融技術(shù)作為競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)進(jìn)行比較可能是不公平的，但25年后，由于各種原因，EB-PBF在整個(gè)金屬增材制造市場(chǎng)的應(yīng)用方面仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于LPBF，這已經(jīng)不是行業(yè)秘密。
激光與電子束增材技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
下圖展示了不同機(jī)器原始設(shè)備制造廠家的EB-PBF技術(shù)在不同時(shí)間段的發(fā)展歷程，該圖揭示了兩個(gè)有說(shuō)服力的觀察結(jié)果：
1. 近 20 年來(lái)，Arcam 主推LPBF增材制造技術(shù)應(yīng)用，并與其他使用LPBF技術(shù)的制造商展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。
2. GE 于 2016 年收購(gòu) 了Arcam公司 ，進(jìn)軍增材制造市場(chǎng)，隨后至少有六家新公司同樣進(jìn)入了這一行業(yè)。
△EB-PBF機(jī)器OEM廠商的演變。圖片來(lái)源：巴恩斯全球顧問(wèn)公司
讓我們?cè)囍鴮⑵溥M(jìn)一步分解。了解電子束和粉末特性之間的相互作用，避免粉末冒煙等問(wèn)題，以及提高高壓架構(gòu)和真空室的可靠性和穩(wěn)定性，這些都是復(fù)雜的問(wèn)題，并提高了新入局公司應(yīng)用EB-PBF技術(shù)的門檻。
EB-PBF很難達(dá)到LPBF設(shè)備的生產(chǎn)效率。對(duì)零件制造商來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)在無(wú)殘余應(yīng)力的情況下以更高的層厚進(jìn)行快速打印，需要對(duì)真空度、冷卻速度、陰極更換頻次和改善零件表面光潔度所需的時(shí)間進(jìn)行控制。
與LPBF技術(shù)相比，EB-PBF的核心優(yōu)勢(shì)在于它能夠熔化高溫、易裂和反射的合金。
展開(kāi) 開(kāi)發(fā)新型（DED和PBF）電子束金屬3D打印！FIT AG和Pro-beam合作
潛力待放：電子束粉末床熔合金屬3D打印的故事與現(xiàn)狀
5. FIT AG and pro-beam Team up for (DED & PBF) ElectronBeam Metal 3D Printing
6. 突破性的電子束金屬3D打印技術(shù)，無(wú)殘余應(yīng)力、無(wú)需預(yù)熱粉末床，Wayland推出Calibur3
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展開(kāi) 幾種3D打印仿真軟件-Part 1
FLOW-3D
FLOW-3D 仿真軟件除了能夠模擬金屬直接3D打印工藝，如粉末床熔融和直接能量沉積，還能夠模擬粘結(jié)劑噴射3D打印工藝。
FLOW-3D 粉末擴(kuò)散模擬
在粉末床熔融工藝的仿真模擬中，F(xiàn)LOW-3D軟件考慮了粉末填料，功率擴(kuò)散，激光熔化粉末，熔池形成和凝固，并依次重復(fù)這些步驟進(jìn)行多層粉末床熔合工藝仿真模擬。多層模擬可以保存先前固化層的熱歷史，然后對(duì)擴(kuò)散到先前固化床上的一組新粉末顆粒進(jìn)行模擬。FLOW-3D可以評(píng)估固化床中的熱變形和殘余應(yīng)力，也可以將壓力和溫度數(shù)據(jù)輸出到其他FEA軟件中。
FLOW-3D 模擬熔池生成
FLOW-3D可以模擬粉末擴(kuò)散和填充，激光/顆粒相互作用，熔池動(dòng)力學(xué)，表面形態(tài)和隨后的微觀結(jié)構(gòu)演變。這些詳細(xì)分析有助于用戶了解工藝參數(shù)（如掃描速度，激光功率和分布以及粉末填充密度）在影響3D打印部件的構(gòu)建質(zhì)量方面的作用。
在粘結(jié)劑噴射3D打印仿真模擬中，F(xiàn)LOW-3D軟件能夠模擬樹(shù)脂滲透情況以及在粉末床中的橫向擴(kuò)散。
來(lái)源：3D科學(xué)谷
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