【康沃真空網】2022年1月，3D打印行業研究機構CONTEXT發布了最新行業報告。報告指出，在2021年的前三個季度，工業3D打印機的出貨量增長39%，前三個季度針對消費級的打印機需求高于新冠疫情之前的水平。進入2022年，該機構預測市場將呈現強勁增長態勢，3D打印行業也會蓬勃發展。
▲ 按價格等級劃分的全球3D打印機出貨量，圖片來自CONTEXT
什么是 3D 打印？
3D打印技術又稱增材制造（Additive manufacturing），是一種以數字模型文件為基礎，將可粘合材料逐層疊加以構建現實三維物體的技術。作為“決定未來經濟的12大顛覆技術”之一和第三次工業革命的引擎，3D打印標志著從傳統制造邁向智能制造的巨大產業變革，引發了新的技術革命浪潮。
▲ 通用3D打印流程
傳統加工技術包括減材加工和等材加工。減材加工主要采用比加工材料更硬的工具依靠機械外力來完成多余材料的去除過程，主要有: 車、銑、刨、磨、鉆等。等材加工主要是將熔融材料澆入模型，熔融材料凝固后獲得具有一定形狀、尺寸和性能的零件毛坯，主要包括鑄造、鍛造等。
典型的3D打印自20世紀80年代開始出現，當時稱為快速成型。3D打印技術可以生產復雜的三維形狀，還可以用金屬粉末制造部件，避免了對金屬塊工件進行銑削、車削、鉆孔或切割等耗時費力的工作。增材制造可以生產出傳統金屬加工工藝因為技術或經濟原因無法生產的復雜部件，且生產時間可以大大縮短。
電子束熔融EBM
金屬的3D打印，離不開一種特殊的增材制造技術——電子束熔融（EBM）。電子束熔融產品由金屬粉末制成，這種工藝與選擇性激光熔融（SLM）類似。兩種熔融工藝的主要區別是能量源，電子束熔融的能量源是電子束而不是激光束。這就是為何這種工藝只有在真空中才能實現的原因。
下圖顯示了一部Arcam EBM 3D打印機的結構示意圖。EBM系統主要由電子束槍、電子束柱和形成元件的制造室組成。電子束槍里含有一根細絲，通常是鎢絲。電子束就是在這里生成的。電子束柱由三組電子透鏡組成：消象散透鏡、聚焦透鏡和偏轉透鏡。電子束柱的任務是校正電子束形狀并調整電子束焦點。它還用作偏轉單元。制造室設計成真空室，因為需要真空條件。制造室里包含存儲金屬粉末的儲粉艙、取粉器和工作臺。除了取粉器系統或垂直移動的工作臺，制造室里沒有移動部件。
▲ 左圖：Arcam EBM 系統結構圖，右圖：設備工作時金屬粉末逐層熔化，圖片由Arcam AB提供
工藝流程如下：
丨鎢絲在真空下加熱至 2500°C 而發出電子；
丨電子通過電磁體加速，然后以光速的一半聚焦并投射到粉末表面；
丨粉末顆粒因電子束升溫，選擇性地熔化一層薄薄的金屬粉末；
丨一層成型后，工作臺就一次下降一層高度，然后粉末床上重新鋪滿來自儲粉艙的金屬粉末，組件在粉末床上一層接一層地堆積成型；
丨打印流程完成，把部件從機器里取出，并去除多余的粉末，去除固定在升降臺上的支撐結構；
丨可能需要進行表面處理，如拋光。在某些情況下，可能還需要在烤箱中固化以消除打印過程中出現的應力。這種熱處理有時在真空爐中進行。
電子束熔融的特性與應用
EBM工藝流程具有多種優勢。主要優勢之一就是能夠用具有較高熔點和高活性的材料實現高度復雜的幾何形狀。因此，鈦合金和鈷鉻合金通常用EBM，但也使用其他合金，如Ti6Al4V、ASTM F75或合金718。因此，與原有金屬相比，打印產品的機械、動態和化學性能相同甚至更好。特別是用鈦進行的打印，為增材制造開辟了新的應用。
▲ 用于3D打印的金屬粉末，通常用鈦合金和鈷鉻合金
此外，在真空下打印部件還可以防止在熱金屬中形成氣泡。這種脫氣效果會使打印部件的金屬層非常均勻。真空的另一個積極作用，也因此成為EBM的優點，是可以防止熔融金屬粉末的氧化。因此，粉末在加熱時不會銹蝕或生銹，在打印過程結束后可以直接回收大量非熔化粉末。因此，這種工藝流程應用廣泛，特別是對于航空工業。
▲ 利用EBM技術制造的衛星散熱器
▲中國航空制造技術研究院制備的EBM TiAl低壓渦輪葉片
相比選擇性激光熔融（SLM），EBM的優勢之一是打印速度。通過分裂電子束，可以同時在多個位置熔化粉末，從而加速打印過程。但是EBM技術可實現的部件尺寸較小，最大直徑為250mm，高度為380mm。精確度與精密度也低于SLM工藝。
EBM 工藝流程的特點如下：
■ 最大建構尺寸：350 x 350 x 380 mm
■ 最小建構尺寸：0.1 mm
■ 精確度+/- 0.2 mm（可通過后續精加工提高）
■ 最小層厚：0.05 mm
■ 典型表面質量：203 - 25.4 μm RA（可通過后續精加工提高）
■ 密度：高達 99.9%
但是EBM能夠加工高活性材料，這是SLM做不到的。EBM工藝對于用高活性材料進行打印尤為重要，這些材料往往還需要生成復雜的幾何形狀。比如Ti6Al4V，這種合金由于比強度和良好的耐腐蝕性，在航空航天工程領域具有巨大的價值。
由于生物相容性良好，這種合金也做成假肢和植入物，越來越多地用于醫療技術。鈦合金還有TiAl等其他牌號，此外植入物醫療技術以及牙齒修復體還常常用到 CoCr。CoCr具有高剛度和耐磨的特點，并且具有生物相容性。通過使用3D打印，植入物或假體可以精確適應患者的特定要求。
▲左圖：用金屬粉末制造的3D打印飛行器渦輪發動機，右圖：用EBM打印的植入物示例
EBM與真空技術
EBM工藝中的真空有多種用途。首先，它可以防止氧化，避免產生氣泡。其次，電子束槍產生電子束以及精準熔融工藝也需要真空。如果電子束與氣體粒子碰撞會發生偏轉，而在真空中則不會。這里的決定性因素是高平均自由程長度，它與壓力的降低成正比。因此，需要極高的極限真空才能實現高平均自由程。
對于EBM工藝，需要低于5×10-5mbar的高真空。當更換組件的時候，需要盡可能最快的抽真空時間以縮短準備時間。在打印過程中，向部件注入分壓為4×10-3mbar的氦氣以確保環境清潔且受控。這一點對于滿足組件構建材料的化學要求非常重要。
為了滿足以上技術需求，在整個EBM生產過程中，需要多種真空設備支持其正常運行。我們以普發真空產品為例，說明真空技術在EBM技術中的重要作用。
普發真空針對電子束熔融技術提供的產品主要包括用于對制造室和電子束槍抽真空的前級泵和高真空泵、用于測量從大氣到高真空壓力的真空計（可選裝校準設備）、定制真空腔室、連接真空部件的閥門和法蘭組件以及用于定位泄漏的檢漏儀。
▲普發真空針對電子束熔融提供全系列的產品組合
1、抽真空
（1） 制造室抽真空
制造室在通入氦氣之前需要達到低于5×10-5mbar的極限真空，而整個打印過程中都要設定4×10-3mbar的持續過程真空度。根據制造室的體積，可以制定不同的高真空和前級泵組合。在選擇高真空泵時，也必須考慮到解吸率。原因是氣體分子（主要是水）與制造室的內表面以及金屬粉末結合，在真空下會逐漸釋放。表面的解吸率導致氣體的積累隨著時間的推移而減少。要達到的極限真空越高，解吸的影響就越大。解吸對抽真空時間有負面影響，在設計過程中考慮到這一現象非常重要。
▲普發HiPace渦輪分子泵系列產品在制造室抽真空領域的應用已經非常成熟。該系列泵用于EBM工藝的優勢在于：尺寸緊湊、振動極低、抗塵性能優良、極限真空高、可靠性高、使用壽命長、運營成本極低、轉子設計精密、輸送壓力相對較高等。
為了在所需時間內達到合適的前級真空壓力以打開高真空泵，需要適當規格的前級真空泵。EBM工藝中的典型前級泵要求如下：
■ 適應全球電壓，理想情況下是單相
■ 低噪音水平，提供理想的工作環境
■ 更換組件時，泵送速度高、周期短（通常為10l/s）
■ 運營成本低：維修間隔時間長；低功耗
▲普發真空應用于EBM的真空獲得泵組：旋片泵作為后備泵，如果需要無碳真空的話，則提供渦旋泵。
（2）電子束槍抽真空
電子束槍的一個關鍵點是磁場。磁場會受復合軸承和相關的單邊磁懸浮軸承的負面影響。所以在選擇真空泵的時候要格外注意磁場對于電子束槍的影響。此外，泵體的振動也會影響到電子束槍的精準運行，該指標也應考慮在內。
▲普發HiPace Plus電機內部有屏蔽且雜散磁場低，因此磁場極為有限；泵內有特殊嵌入軸承，可最大限度地減少振動。
2、真空測量
既然需要真空獲得設備抽真空，那么就需要專業的設備測量制造室和電子束槍的壓力，以保證壓力達到規定值。同樣的，除了精準度外，測量設備也不能對電子束有磁場干擾。
▲普發真空RPT 200型和HPT 200型真空計組合，數字信號轉換使測量誤差降到最低，可保證電子束不受磁場干擾，通常用于測量高真空泵的前級真空壓力。
3、真空計校準
為了確保壓力測量的準確性和可重復性，以及長期的工藝穩定性，必須定期校準真空計。由于傳感器存在污染顆粒或冷凝物以及長期使用引起的老化，測量信號可能會發生變化。因此，校準是質量保證的一個必要組成部分。標準真空計必須由經過認證的實驗室進行校準并且可以追溯到國家標準。
當使用大量真空計時，直接內部校準比外部校準更具成本效益。可以使用專門的校準系統來完成。
▲普發真空提供工廠級別的DAkkS（Deutsche Akkreditierungsstelle GmbH =德國認證機構）認證級別的校準服務，符合ISO 3567標準。普發真空研發的校準泵組，有基本和專業型號。符合ISO 3567標準的真空室可確保均勻的壓力分布，并確保真空計在相同高度處對稱排列。
4、泄漏檢測
在EBM工藝中，要達到所需的極限真空并保證過程中的真空度，需要良好的泄漏密封性。特別是在高真空內，即使是小泄漏也會阻礙真空度的達到。對于EBM系統，累積泄漏率小于1×10-5mbar是最低要求。對于泄漏檢測來說，氦氣檢漏儀則必不可少。
泄漏測試可以通過多種方式執行。一種方法是將系統抽真空并用噴槍從外部、密封點、焊縫和其他潛在泄漏處噴吹氦氣。如果有泄漏，氦氣會流入抽空的真空室，然后被檢漏儀吸入并檢測到。為了實現較短的響應時間，大型系統對現有真空系統用分流的方式使用檢漏儀。
另一種方法是嗅探測試。在這里，系統用氦氣等示蹤氣體加壓。然后，嗅探器探針經過系統。發生泄漏時，檢漏儀會發現逸出的示蹤氣體，進而確定泄漏的位置。由于EBM技術也需要添加氦氣，因此該方法也可以用來保證氦氣的供應。
▲ 嗅探測試示意圖
如果應用端不僅打算測試系統，還要測試打印的組件是否泄漏，可采用累積檢測法。將組件充滿示蹤氣體，然后放置在真空測試室里。如果發生泄漏，示蹤氣體將從部件中逸出到測試室，并被檢漏儀檢測到。
▲ 累積檢測法示意圖
▲ 普發真空ASM 340檢漏儀普遍適用，ASM 310緊湊便攜，是移動應用的首選
另外，普發真空還會提供EBM真空系統閥門組件訂購及真空室定制服務，為3D打印制造商提供優質的真空解決方案。
3D打印技術從1980s誕生至今只有短短三十多年，卻正在引領世界性的制造業革命。作為“互聯網+智能制造”的代表，它幾乎完美地滿足了定制與大規模生產的要求，并在眾多領域展現出無限的創造性。
3D打印產業正進入成長期，預計到2026年全球3D打印產值有望達到372億美元，全球競爭已拉開序幕。相信隨著需求的不斷挖掘、政策的持續引導和行業標準的逐步規范化，3D打印應用的廣度和深度將進一步加速拓展，真空技術在其制造過程中的作用也會愈加明顯。
