激光束和电子束的金属3D打印技术比较

　　日前有研究机构对基于激光束和电子束的金属3D打印技术进行了对比研究，研究结果汇总如下。

　　研究机构分别使用了两款典型的金属3D打印设备：激光束式“EOSINT M280”（德国EOS公司）和电子束式“Arcam A2X”（瑞典Arcam公司），作为近净成形部件加工的加工装置。

　　这两种方式的最大造型尺寸基本相同，均为250mm见方，最小积层厚度约为50μm＊1。主要不同在于激光束或电子束的输出功率及扫描速度。输出功率方面，激光束式为400W，而电子束式高达3500W，扫描速度方面，激光束式为7m/s，而电子束式高达8000m/s，二者差距巨大。电子束式利用扫描速度的优势，造型时一层一层扫描造型台整体进行预热（提高金属粉末的温度）后，再开始烧结截面形状。

　　＊1　金属粉末材料为Ti-6Al-4V时，EOSINT M280的最大造型尺寸为250×250×325mm，Arcam A2X为200×200×380mm，EOSINT M280的积层厚度为30μm或60μm，Arcam A2X为50μm。

　　预热与否结果大不相同那么，预热与否结果会怎样变化呢？目前了解的主要有两大直接影响（图1）。

图1：预热和不预热的特征差别

　　激光束式不实施预热，电子束式实施预热。由此，残余应力的大小和造型物以外的粉末状态会发生变化，造型后的工序各有利弊。

　　首先，所需支撑体＊2的贴附情况有所不同。这是因为，不实施预热的激光束式的温差会变大，导致残余应力升高，造型品需要承受这种残余应力。需将支撑体牢牢贴附在第一层接触的基底上，支撑体的尺寸会相当大。从基底移除支撑体时比较困难，因此造型后需要通过机械加工等做最后的处理。

　　＊2　支撑材料：为防止造型品的自重等造成目标形状变形而附加的部分。需要在造型后去除。

　　而电子束式的温差小，残余应力低，因此仅用支撑凹槽部分的支撑体就完全可以造型。“贴附用手就能弯曲的薄支撑体造型即可，去除时用手稍微弯一下，或用钳子稍微拧一下就能去除”。

　　如上所述，从支撑体（残余应力）来看，电子束式比较占优势，不过激光束式也有优势。那就是粉末去除性。

　　实际上，预热后金属粉末会“变成类似假烧结的状态”。利用激光束式的话，造型范围以外的部分可以直接作为粉末取出，而电子束式由于进行了预热，造型台整体的粉末为略微凝固的状态。

　　这种变成假烧结状态的多余部分也可以通过喷砂清理去除，不过喷不到的部分则难以去除。拥有复杂电路的部件存在无法完全去除多余部分的问题。

　　利用独自的造型样品进行确认为调查粉末去除性等会对实际造型物的精度和形状再现性产生什么影响，研究机构用这两种方式的3D打印机打印了Ti-6Al-4V的造型样品并进行了比较（图2）。为确认以下六点，专门设计了样品。这六点包括：（1）如果没有支撑体，造型时的最大倒塌角度是的多大（极限造型角度）、（2）能再现多小的横孔（横孔形状、粉末去除性）、（3）圆棒的最小直径和高度、（4）板的最薄厚度和高度、（5）缝隙部分和边缘部分的形状、（6）锐角部分的形状。

图2：用于确认造型极限的样品的3个正射图

　　为确认形状再现的极限，准备了对孔和棒的直径以及积层方向的角度等进行了改变的样品。在没有支撑体的情况下打印了该形状。

　　打印的样品形状的照片见图3。从设计尺寸来看，尺寸为20mm和30mm的部分，精度在0.1mm以下，而尺寸为105mm（样品宽度）的部分，产生了0.3mm以上的误差。这个结果比目录参数稍差一些，不过“通过调整积层条件可以改善，只不过是个参考值”。

图3：外观形状的结果

　　测量造型样品的尺寸，与设计值进行了比较。还测量了表面粗糙度。设计尺寸参照图2的正射图。