3d打印技术又称为累积制造(3D打印用到了哪些真空技术？看完你就明白什么叫技术革命了)

2022年1月，3D打印行业研究机构CONTEXT发布了最新行业报告。报告指出，在2021年的前三个季度，工业3D打印机的出货量增长39%，前三个季度针对消费级的打印机需求高于新冠疫情之前的水平。进入2022年，该机构预测市场将呈现强劲增长态势，3D打印行业也会蓬勃发展。

▲按价格等级划分的全球3D打印机出货量，图片来自CONTEXT

什么是3D打印？

3D打印技术又称增材制造（Additivemanufacturing），是一种以数字模型文件为基础，将可粘合材料逐层叠加以构建现实三维物体的技术。作为“决定未来经济的12大颠覆技术”之一和第三次工业革命的引擎，3D打印标志着从传统制造迈向智能制造的巨大产业变革，引发了新的技术革命浪潮。

▲通用3D打印流程

传统加工技术包括减材加工和等材加工。减材加工主要采用比加工材料更硬的工具依靠机械外力来完成多余材料的去除过程，主要有:车、铣、刨、磨、钻等。等材加工主要是将熔融材料浇入模型，熔融材料凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的零件毛坯，主要包括铸造、锻造等。

典型的3D打印自20世纪80年代开始出现，当时称为快速成型。3D打印技术可以生产复杂的三维形状，还可以用金属粉末制造部件，避免了对金属块工件进行铣削、车削、钻孔或切割等耗时费力的工作。增材制造可以生产出传统金属加工工艺因为技术或经济原因无法生产的复杂部件，且生产时间可以大大缩短。

电子束熔融EBM

金属的3D打印，离不开一种特殊的增材制造技术——电子束熔融（EBM）。电子束熔融产品由金属粉末制成，这种工艺与选择性激光熔融（SLM）类似。两种熔融工艺的主要区别是能量源，电子束熔融的能量源是电子束而不是激光束。这就是为何这种工艺只有在真空中才能实现的原因。

下图显示了一部ArcamEBM3D打印机的结构示意图。EBM系统主要由电子束枪、电子束柱和形成元件的制造室组成。电子束枪里含有一根细丝，通常是钨丝。电子束就是在这里生成的。电子束柱由三组电子透镜组成：消象散透镜、聚焦透镜和偏转透镜。电子束柱的任务是校正电子束形状并调整电子束焦点。它还用作偏转单元。制造室设计成真空室，因为需要真空条件。制造室里包含存储金属粉末的储粉舱、取粉器和工作台。除了取粉器系统或垂直移动的工作台，制造室里没有移动部件。

▲左图：ArcamEBM系统结构图，右图：设备工作时金属粉末逐层熔化，图片由ArcamAB提供

工艺流程如下：

丨钨丝在真空下加热至2500°C而发出电子；

丨电子通过电磁体加速，然后以光速的一半聚焦并投射到粉末表面；

丨粉末颗粒因电子束升温，选择性地熔化一层薄薄的金属粉末；

丨一层成型后，工作台就一次下降一层高度，然后粉末床上重新铺满来自储粉舱的金属粉末，组件在粉末床上一层接一层地堆积成型；

丨打印流程完成，把部件从机器里取出，并去除多余的粉末，去除固定在升降台上的支撑结构；

丨可能需要进行表面处理，如抛光。在某些情况下，可能还需要在烤箱中固化以消除打印过程中出现的应力。这种热处理有时在真空炉中进行。

电子束熔融的特性与应用

EBM工艺流程具有多种优势。主要优势之一就是能够用具有较高熔点和高活性的材料实现高度复杂的几何形状。因此，钛合金和钴铬合金通常用EBM，但也使用其他合金，如Ti6Al4V、ASTMF75或合金718。因此，与原有金属相比，打印产品的机械、动态和化学性能相同甚至更好。特别是用钛进行的打印，为增材制造开辟了新的应用。

▲用于3D打印的金属粉末，通常用钛合金和钴铬合金

此外，在真空下打印部件还可以防止在热金属中形成气泡。这种脱气效果会使打印部件的金属层非常均匀。真空的另一个积极作用，也因此成为EBM的优点，是可以防止熔融金属粉末的氧化。因此，粉末在加热时不会锈蚀或生锈，在打印过程结束后可以直接回收大量非熔化粉末。因此，这种工艺流程应用广泛，特别是对于航空工业。

▲利用EBM技术制造的卫星散热器

▲中国航空制造技术研究院制备的EBMTiAl低压涡轮叶片

相比选择性激光熔融（SLM），EBM的优势之一是打印速度。通过分裂电子束，可以同时在多个位置熔化粉末，从而加速打印过程。但是EBM技术可实现的部件尺寸较小，最大直径为250mm，高度为380mm。精确度与精密度也低于SLM工艺。

EBM工艺流程的特点如下：

■最大建构尺寸：350x350x380mm

■最小建构尺寸：0.1mm

■精确度+/-0.2mm（可通过后续精加工提高）

■最小层厚：0.05mm

■典型表面质量：203-25.4μmRA（可通过后续精加工提高）

■密度：高达99.9%

但是EBM能够加工高活性材料，这是SLM做不到的。EBM工艺对于用高活性材料进行打印尤为重要，这些材料往往还需要生成复杂的几何形状。比如Ti6Al4V，这种合金由于比强度和良好的耐腐蚀性，在航空航天工程领域具有巨大的价值。

由于生物相容性良好，这种合金也做成假肢和植入物，越来越多地用于医疗技术。钛合金还有TiAl等其他牌号，此外植入物医疗技术以及牙齿修复体还常常用到CoCr。CoCr具有高刚度和耐磨的特点，并且具有生物相容性。通过使用3D打印，植入物或假体可以精确适应患者的特定要求。

▲左图：用金属粉末制造的3D打印飞行器涡轮发动机，右图：用EBM打印的植入物示例

EBM与真空技术

EBM工艺中的真空有多种用途。首先，它可以防止氧化，避免产生气泡。其次，电子束枪产生电子束以及精准熔融工艺也需要真空。如果电子束与气体粒子碰撞会发生偏转，而在真空中则不会。这里的决定性因素是高平均自由程长度，它与压力的降低成正比。因此，需要极高的极限真空才能实现高平均自由程。

对于EBM工艺，需要低于5×10-5mbar的高真空。当更换组件的时候，需要尽可能最快的抽真空时间以缩短准备时间。在打印过程中，向部件注入分压为4×10-3mbar的氦气以确保环境清洁且受控。这一点对于满足组件构建材料的化学要求非常重要。

为了满足以上技术需求，在整个EBM生产过程中，需要多种真空设备支持其正常运行。我们以普发真空产品为例，说明真空技术在EBM技术中的重要作用。

普发真空针对电子束熔融技术提供的产品主要包括用于对制造室和电子束枪抽真空的前级泵和高真空泵、用于测量从大气到高真空压力的真空计（可选装校准设备）、定制真空腔室、连接真空部件的阀门和法兰组件以及用于定位泄漏的检漏仪。

▲普发真空针对电子束熔融提供全系列的产品组合

1、抽真空

?制造室抽真空

制造室在通入氦气之前需要达到低于5×10-5mbar的极限真空，而整个打印过程中都要设定4×10-3mbar的持续过程真空度。根据制造室的体积，可以制定不同的高真空和前级泵组合。在选择高真空泵时，也必须考虑到解吸率。原因是气体分子（主要是水）与制造室的内表面以及金属粉末结合，在真空下会逐渐释放。表面的解吸率导致气体的积累随着时间的推移而减少。要达到的极限真空越高，解吸的影响就越大。解吸对抽真空时间有负面影响，在设计过程中考虑到这一现象非常重要。

▲普发HiPace涡轮分子泵系列产品在制造室抽真空领域的应用已经非常成熟。该系列泵用于EBM工艺的优势在于：尺寸紧凑、振动极低、抗尘性能优良、极限真空高、可靠性高、使用寿命长、运营成本极低、转子设计精密、输送压力相对较高等。

为了在所需时间内达到合适的前级真空压力以打开高真空泵，需要适当规格的前级真空泵。EBM工艺中的典型前级泵要求如下：

■适应全球电压，理想情况下是单相

■低噪音水平，提供理想的工作环境

■更换组件时，泵送速度高、周期短（通常为10l/s）

■运营成本低：维修间隔时间长；低功耗

▲普发真空应用于EBM的真空获得泵组：旋片泵作为后备泵，如果需要无碳真空的话，则提供涡旋泵。

?电子束枪抽真空

电子束枪的一个关键点是磁场。磁场会受复合轴承和相关的单边磁悬浮轴承的负面影响。所以在选择真空泵的时候要格外注意磁场对于电子束枪的影响。此外，泵体的振动也会影响到电子束枪的精准运行，该指标也应考虑在内。

▲普发HiPacePlus电机内部有屏蔽且杂散磁场低，因此磁场极为有限；泵内有特殊嵌入的轴承，可最大限度地减少振动。

2、真空测量

既然需要真空获得设备抽真空，那么就需要专业的设备测量制造室和电子束枪的压力，以保证压力达到规定值。同样的，除了精准度外，测量设备也不能对电子束有磁场干扰。

▲普发真空RPT200型和HPT200型真空计组合，数字信号转换使测量误差降到最低，可保证电子束不受磁场干扰，通常用于测量高真空泵的前级真空压力。

3、真空计校准

为了确保压力测量的准确性和可重复性，以及长期的工艺稳定性，必须定期校准真空计。由于传感器存在污染颗粒或冷凝物以及长期使用引起的老化，测量信号可能会发生变化。因此，校准是质量保证的一个必要组成部分。标准真空计必须由经过认证的实验室进行校准并且可以追溯到国家标准。

当使用大量真空计时，直接内部校准比外部校准更具成本效益。可以使用专门的校准系统来完成。

▲普发真空提供工厂级别和DAkkS（DeutscheAkkreditierungsstelleGmbH=德国认证机构）认证级别的校准服务，符合ISO3567标准。普发真空研发的校准泵组，有基本和专业型号。符合ISO3567标准的真空室可确保均匀的压力分布，并确保真空计在相同高度处对称排列。

4、泄漏检测

在EBM工艺中，要达到所需的极限真空并保证过程中的真空度，需要良好的泄漏密封性。特别是在高真空内，即使是小泄漏也会阻碍真空度的达到。对于EBM系统，累积泄漏率小于1×10-5mbar是最低要求。对于泄漏检测来说，氦气检漏仪则必不可少。

泄漏测试可以通过多种方式执行。一种方法是将系统抽真空并用喷枪从外部、密封点、焊缝和其他潜在泄漏处喷吹氦气。如果有泄漏，氦气会流入抽空的真空室，然后被检漏仪吸入并检测到。为了实现较短的响应时间，大型系统对现有真空系统用分流的方式使用检漏仪。

另一种方法是嗅探测试。在这里，系统用氦气等示踪气体加压。然后，嗅探器探针经过系统。发生泄漏时，检漏仪会发现逸出的示踪气体，进而确定泄漏的位置。由于EBM技术也需要添加氦气，因此该方法也可以用来保证氦气的供应。

▲嗅探测试示意图

如果应用端不仅打算测试系统，还要测试打印的组件是否泄漏，可采用累积检测法。将组件充满示踪气体，然后放置在真空测试室里。如果发生泄漏，示踪气体将从部件中逸出到测试室，并被检漏仪检测到。

▲累积检测法示意图

▲普发真空ASM340检漏仪普遍适用，ASM310紧凑便携，是移动应用的首选

另外，普发真空还会提供EBM真空系统阀门组件订购及真空室定制服务，为3D打印制造商提供优质的真空解决方案。

3D打印技术从1980s诞生至今只有短短三十多年，却正在引领世界性的制造业革命。作为“互联网+智能制造”的代表，它几乎完美地满足了定制与大规模生产的要求，并在众多领域展现出无限的创造性。

3D打印产业正进入成长期，预计到2026年全球3D打印产值有望达到372亿美元，全球竞争已拉开序幕。相信随着需求的不断挖掘、政策的持续引导和行业标准的逐步规范化，3D打印应用的广度和深度将进一步加速拓展，真空技术在其制造过程中的作用也会愈加明显。

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