首頁 > 金屬3D列印技術(三):電子束3D列印,加工鈦合金的好幫手
:::

金屬3D列印技術(三):電子束3D列印,加工鈦合金的好幫手

近幾年來,3D列印技術的興起造成金屬製造業的旋風,突破過去的諸多障礙,堪稱是21世紀的工業革命。近幾年為了改善高活性合金製程,科學家成功研發出電子束鋪粉式金屬3D列印技術。
 
 
電子束 3D 列印設備的外觀。一個主機由電腦、電控系統、高壓(電)單元等組成,所有的管線及電路經由中間黑色部分後面的空間連接至右邊的主機,從上至下包含電子槍、成形艙、升降平台。
▲電子束 3D 列印設備的外觀。一個主機由電腦、電控系統、高壓(電)單元等組成,所有的管線及電路經由中間黑色部分後面的空間連接至右邊的主機,從上至下包含電子槍、成形艙、升降平台。
 
你我身邊從茶杯、手機殼到汽車車體處處都是金屬產品,這些產品的製造都需要相當複雜及難以想像的製程,且由於材料特性與製造方法的限制,並不是任何產品設計都能輕易實現。例如,鈦合金、鎳合金等高活性、高熔點、高硬度的材料,使用於鑄造、鍛造、加工製程上相當困難。而由於科技的發展,為了因應功能上的需求,產品的設計逐漸變得複雜,甚至有些部分難以用現在的技術製作。

科學家為了突破上述的製程困難,紛紛投入金屬3D列印技術的研發,近幾年成功研發出電子束及雷射的鋪粉式金屬3D列印技術。本文將以電子束3D列印技術為例,帶大家進入金屬3D列印的世界。

電子束3D列印設備與製作技術
 
電子束3D列印技術成形艙概念圖。
▲電子束3D列印技術成形艙概念圖。
 
電子束3D列印設備由兩台主機組成,整體大小有如一台大型的雙開冰箱。一個主機由電腦、電控系統、高壓(電)單元等組成,以管線及電路和另一邊的主機連接,從上至下包含電子槍、成形艙、升降平台。

金屬3D列印技術的原料是金屬粉末,唯有符合規範的粉末才能應用於製程中。電子束3D列印所用的粉末大小須介於40~105微米之間,累積至50%體積百分比的粉末大小須小於80微米,所有粉末的形狀須接近於球狀才能確保良好的流動性。
 
電子顯微鏡下的金屬粉末,形狀較好的是黃色箭頭處粉末,接近球狀,適合用於 3D 列印技術中。紅色箭頭處的粉末形狀不良,會造成鋪粉時不平整而影響產品品質。
▲電子顯微鏡下的金屬粉末,形狀較好的是黃色箭頭處粉末,接近球狀,適合用於 3D 列印技術中。紅色箭頭處的粉末形狀不良,會造成鋪粉時不平整而影響產品品質。
 
當準備好金屬粉末後,所有的金屬粉末會放置於成形艙內的粉槽中,一個粉槽最大可存放約40公斤的金屬粉末。製程開始後,藉由鋪粉刷把一層厚度約100微米的粉末均勻鋪在基板上,稱為粉床。

接著透過電子束加熱欲成形的區域使粉末熔融,當電子束移到下一個區域後,熔融的粉末會冷卻成形,而熔融成形的區域因粉末變成液體後的攤平及冷卻時的收縮,厚度會縮減成約50微米。因此,當一層的製程完成後,平台會使基板連同粉床一同下降50微米,進行下一次的鋪粉與電子束熔融。經由一直重複這樣的過程,就可製作出複雜形狀的產品。

真空環境避免高活性合金氧化,製造速度快
 
由於電子束的產生需要高真空的環境,因此整個艙體也有真空保護,而真空保護的環境可以避免鈦合金等高活性合金在加熱熔融的過程中氧化,在如骨科醫療植入物的應用中,低含氧量是鈦合金產品成功的關鍵。

電子束的功率高達3,000~3,500瓦,約為一般雷射3D列印的6~10倍,且電子束因為不像雷射會被金屬表面反射,所以能量被金屬吸收的比率高,熔融區域的溫度及大小也會較大。這個特點有兩個好處,一是電子束很適合各種高熔點材料的製造,二是較大的熔融區域有利於避免熔融不完全的情況,否則往往會造成材料內有空孔,而使後續應用時機械性質不穩定。

因為電子束是藉由電磁線圈來控制其聚焦與移動,反應速度可以非常快,因此製造速度最高可達80立方公分/小時。

3D設計到3D列印,一次多種形狀
 
把髖關節球頭 3D 設計圖置於電腦模擬製造平台上。
▲把髖關節球頭 3D 設計圖置於電腦模擬製造平台上。
 
電子束3D列印技術製造出的鈦合金髖關節球頭。
▲電子束3D列印技術製造出的鈦合金髖關節球頭。
 
由於金屬3D列印技術是藉由粉床熔融成形,因此製造的產品並沒有形狀的限制,而可以實現過去無法完成的設計。

雖然3D列印的限制較小,但3D設計圖的品質會直接影響列印後產品外觀的品質,因此設計好以後,還需要3D繪圖軟體協助建立3D模型。而準備好的3D檔案匯入系統後,可以把3D模型擺放在電腦模擬製造平台上,選擇要擺放的位置、數量、方式。最後,藉由電腦軟體協助,把這個3D模型轉變成3D列印設備可以了解的檔案,便可以準備列印。

列印出來的東西都是埋在粉床裡,還需要粉末回收系統把產品旁的粉末吹走、回收。且由於設計的關係,產品表面可能還有一些支架要拆除。當粉末清理完、支架拆除以後,漂亮的金屬產品就出現了,但表面上都有相當多複雜的孔洞結構,且孔洞跟孔洞間的結構非常精細,這些複雜的形狀與結構都是傳統製程難以在高活性、高熔點材料上實現的。

3D列印的方便就是一次可以製造很多不同形狀的產品,這是電腦處理的優點。即藉由電腦模擬製造平台可以把數個不同的3D模型同時擺在裡面,甚至可以繼續往上堆疊做好幾層的產品。你能想像嗎?當你星期五晚上設計出各種不同的iPhone 6S機殼,在設定好3D列印的製程後,出去度個2天假回來,80個不同款式的機殼就都做出來了。
 
擺放不同的產品在同一爐次中製造。
▲擺放不同的產品在同一爐次中製造。
 
3D列印技術的挑戰
 
雖然3D列印技術可以製造任意形狀的產品,但由於設備昂貴,粉末原料單價較高,因此並不能完全取代傳統製程。且由於3D列印技術才剛起步,還有非常多的挑戰如可用材料不多、材料特性控制難、產品後處理困難等有待克服。

粉末價格昂貴肇因於有能力製造3D列印可用粉末的廠商仍不多,目前世界上所用的3D列印金屬粉末總量也不夠大,因此成本降不下來。

可用材料不多的主因並不是設備或技術本身不能應用太多材料,而是有太多材料還需要開發相關參數才能使用。不同材料在3D列印時所用的功率大小、掃描速度等差異相當大,也因此需要投入相當多的人力、資源及時間研究。

由於3D列印過程中熔融金屬冷卻的速率相當快,因此在製程中要控制合金材料的微結構並不如傳統製程容易。雖然可透過調整參數來控制,但調整的幅度依照各種材料的不同而有所差異,且同一種材料面對不同的應用環境,對於材料特性的需求也不同。因此,為了控制材料特性而進行參數開發是必要的。

由於粉床或粉末大小的限制,3D列印後的產品表面粗糙度並不好,因此相當多的產品在應用之前還需經研磨、拋光等後處理。且現在應用於金屬3D列印技術的材料多是硬度高、難加工的材料,也增加後處理的難度。加上透過3D列印製造的產品通常形狀都非常複雜,也造成傳統的後處理技術難以符合各種3D列印產品的需求。

金屬3D列印技術的出現突破了過去金屬製造上的困境,使得許多功能性的設計不再只是夢想。相對地,新技術的演進也帶來更多的課題,上述的問題只是冰山一角,隨著應用的層面變廣,未來會出現更多的挑戰。但隨著一道又一道難關的突破,相信這個技術會越來越完善,21世紀的工業革命正一步一步地前進。
 
來源:
推薦文章