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【科技成果推介】3D打印---21世纪的新制造技术手段

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Categories:最新动态
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Time of issue:2019-08-06
Views:100

Information

　　近几年3D打印设备、材料不断的更新迭代，打印的应用也越来越广泛，虽然3D打印产品还未能广泛的应用到人们生活之中，但是对3D打印这个词，已经越来越被大众所了解和熟悉。国际、国内已经出现的3D打印技术种类繁多，采用的热源有不同，有激光束、电子束、离子束；所用的材料不同，有塑料、金属甚至陶瓷材料；沉积的方式不同，有送粉沉积、送丝沉积、选区沉积（粉床式）等。下面小编就向大家详细介绍一下我院增材制造技术与工程研究所多年研究的电子束选区熔化技术。

　　在介绍该技术之前，先给大家科普一下3D打印的学术名称。

　　3D打印有很多别称，比如学术上常用的增材制造（Additive Manufacturing）技术，关键词是一个“增”字，是指通过逐层增加材料的方式制造3D零件。与增材制造相对应的，有传统的减材制造和等材制造技术：减材制造需要装卡毛坯，然后利用工具将不需要的材料切除；等材制造需要预先准备模具，将材料填充到模具中，得到3D形状。

　　3D打印为何备受关注？

　　在于其具有传统制造方式不具备的特点。

　　第一，3D打印可以制造形状非常复杂的零件，让设计变得更自由。以往受限于制造技术而不能采用的复杂结构，可以通过3D打印技术轻松实现。

　　第二，3D打印不需要刀具、模具，是一种短流程、高柔性、节省材料的制造技术。现代商品更新换代周期加快，产品个性化需求不断显现，3D打印技术可以说是为快流程、个性化而生的，契合社会发展潮流。

　　因此，3D打印被誉为21世纪的制造技术，是对现有制造技术的有力补充，必将变革当前制造业格局。

　　目前激光选区熔化技术是在国内外应用比较广泛的3D打印技术，而我院增材所采用的是经过十余年研发的电子束选区熔化技术。

　　电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）是上世纪九十年代中期发展起来的一种金属零件增材制造技术，其工艺原理是：将电子加速至约光速的一半，轰击粉末材料使其熔化；电子束对已经铺展在成型区域表面的材料粉末薄层进行扫描，将位于零件截面区域内的薄层粉末熔化并沉积。EBSM的成形精度较高，而且可以制作出具有多孔或内流道结构的零件。

　　激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）与EBSM技术的主要区别在于所用热源的不同，SLM利用激光熔化金属粉末，EBSM则用电子束熔化金属粉末。不同的热源与粉末材料之间的交互作用机理是不同的，所导致的制造效果也不同，主要区别如下：

　　由于利用电子束作为能量来源，我院的EBSM技术具有如下特点和优势：

更大的功率密度，更高的材料-电子束能量吸收率；电子枪功率可到达3000瓦。

更强的穿透能力，更高的成形件致密度；打印实体致密度高达99.9%。

更高的粉床温度，更低的成形热应力和残留应力；最高预热温度1100℃ 。

更快的制造速度；产能是其他类型金属3D打印的3倍。

更广的材料适应范围；钛合金、钛铝金属间化合物、镍基高温合金、铜合金、高熔点金属等。

一图了解EBSM技术原理

EBSM技术原理图

　　这么强大的技术优势，真是看得人眼花缭乱。增材制造所在EBSM增材制造装备和技术方面具有多年技术积累，目前已研发了具有自主知识产权的EBSM增材制造装备，打破了国际垄断，这可是当之无愧的世界领先技术哦

一起来看看我院增材所利用EBSM增材制造技术打印的一些应用零件。

医学植入体

膝关节　　　　髋臼杯下颚骨　　　　　　　　　　　胸椎

造型复杂零件

涡轮盘　　　　　　　　　压缩机叶轮　　　　　　　　六通接头

轻量化网格结构

轻量化结构体　　　　　　　　　　　　网格状球体

　　小编跟大家分享一下，增材制造所利用EBSM技术在工业和医疗领域的成功案例。

技术应用

　　为上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂打印的压气机叶轮。

　　叶片有圆柱形和扭曲形两种，利用传统铸造和锻造工艺成形不了特别复杂的叶片结构，需要后续的机加工，制造难度较大，造价较高。而利用冲击焊接等工艺制造叶轮，会导致叶轮后盖板变形严重等问题。

利用EBSM技术则规避了以上难点。力学性能测试结果表明，EBSM制造的Ti6Al4V叶轮体抗拉强度达到996MPa~1120MPa，高于一般锻造标准强度水平，达到工业运用的要求。

压缩机叶轮（上海汽轮机厂）

　　为天津某医院设计制造的个性化胸椎植入体提供EBSM制造方案。

　　所谓个性化植入体，是指根据患者缺损情况量身定做的植入体。医生可以根据胸椎的三维CT扫描数据，设计出外观完美匹配的植入体；并经过特殊的网格化设计减少金属植入体的弹性模量，使其在力学性能上和原有的胸椎匹配，实现功能修复。这种个性化的医疗方案为骨缺损患者减轻痛苦。

胸椎体

　　EBSM金属3D打印髋关节垫块

　　为达到最佳的治疗效果，四川省某医院患者的髋关节置换手术需要个性化定制钛合金垫块。基于EBSM金属3D打印技术，增材制造所在72小时内完成个性化垫块假体的设计及制造，并成功交付医院使用。

髋关节钛合金垫块

　　相对于已经出现在人类社会成百上千年的传统制造技术，自上世纪90年代开始发展起来的3D打印技术还非常年轻，充满活力。如今，3D打印技术“三十而立”，已经在医疗、航空航天、教育、珠宝首饰等行业领域崭露头角，茁壮成长。

　　我院的3D打印技术在国外、国内均具有领先优势，目前已形成了QBEAM Lab200、QBEAM Med200、以及QBEAM Aero350等系列产品。同时，该研究所拥有一支专业高效的研发队伍，由清华大学机械工程系林峰教授领衔，该团队具有15年以上的3D打印研发经验；10余项金属3D打印授权专利；60%以上的研发人员比例，全体团队成员始终不渝的致力于以国际领先的设备、尖端的技术、优质的产品为更多的业内客户提供国际一流的电子束增材制造解决方案。

技术对接、业务洽谈

　　联系人：葛君艺

　　联系电话：18622369384

来源|增材制造技术与工程研究所

编辑|王肖

以上相关技术最终解释权归增材制造技术与工程研究所所有

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