超越激光!金属3D打印电子束路线取得突破

超越激光!金属3D打印电子束路线取得突破
2024年04月29日 21:56 媒体滚动

转自:上观新闻

3D打印技术,是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力。2024中关村国际技术交易大会上,清华大学科技成果转化企业清研智束发布了一款电子束3D打印新产品,其技术与这一领域当前主流技术路线截然不同。

2024中关村国际技术交易大会上。

电子束与激光

3D打印技术又称增材制造技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,逐点逐层累积叠加形成三维实体的新技术。由于它对传统的工业流程、生产线、生产模式、产业链组合产生深刻影响,已成为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力之一。

3D打印又分为金属3D打印与非金属打印。其中,金属3D打印多以铁、钛、镍、钢等金属粉末为原材料,具备定制化、低损耗、精密制造等优势,广泛应用于航空航天、军工、医疗器械等对产品性能要求苛刻的制造领域。相比非金属3D打印,金属3D打印的价值量更大、技术壁垒更高、未来应用空间更大。

有研报称,金属3D打印的几种技术路线中,激光选区熔化(SLM)是当前的主流方案。其产品性价比相对占优,技术难度也相对适中。

清华大学机械工程系长聘教授林峰说,在航空航天领域,随着飞行参数不断提高,对高温金属的增材制造需求越来越高。超燃冲压发动机进气道、燃气轮机涡轮叶片、固体火箭发动机喉衬、高超飞行器端头等零部件的工作温度都超过1000℃。高温金属材料难以精确成形,使用激光打印极易开裂,但如果使用电子束选区熔化(EBSM)技术,开裂问题能够解决。

这项技术是以高能电子束为热源,基于粉末床、CAD(计算机辅助设计)直接驱动的近净成形金属增材制造工艺。由于其能量转换率和吸收率更高、内应力小,成型效果更好。他说,“原来会开裂的材料,现在可以不开裂;原来需要设计很强支撑的结构,现在可以不支撑。”

多枪阵列技术突破

相比激光,金属3D打印的电子束路线整体性能更优越。但由于电子束需要真空环境,这一技术路线研发难度更大,一段时间以来发展也相对滞后。

在这条路线上,清华大学和清研智束团队已潜心摸索、艰苦攻关20年。2004年,团队成员在清华大学成功研发电子束选区熔化技术;2015年,清研智束注册成立;2017年,自主开发第一代商业化设备;2021,推出Qbeam系列产品;2023年,发布多枪阵列设备。

多枪阵列设备。

清华大学博士、北京清研智束科技有限公司研发总监赵德陈说,技术团队发现,市场现存电子束增材设备,成形尺寸有限,是限制其在航空航天领域生产应用的关键。“当前国内外主流的商业化电子束增材制造设备,成形尺寸都不超过400毫米;而现实情况是,很多航空航天钛合金零部件尺寸超过500毫米。”

为实现大尺寸钛合金零部件批产解决方案,技术团队选择多枪阵列技术。自2018年起,积累了解决多枪干扰、多电子束拼接校准等关键技术20余项,成功研发Qbeam S600新产品。产品满足航天航空对大尺寸、结构复杂构件的高效率、低成本批量化制造需求。打印尺寸扩大到600×600×700毫米,钛合金极限沉积效率提高至每小时400立方厘米以上。

相比激光设备,这款电子束设备具有显著批产经济型。以某医疗应用典型零件为例,其单件成本降低47%,设备产出提高至200%。

技术领先。

“据我所知,清研智束是全球唯一一家开展多枪阵列研究并产业化的设备制造商。”赵德陈说。

他表示,清研智束已经掌握电子束3D打印多枪阵列全套核心技术,多款更大尺寸设备处于在研和已完成项目验收阶段。多枪阵列技术,或将开启电子束增材制造的新篇章。

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