粉末快速成形技术对比 SLM vs EBM

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1. 设备原理和参数对比

SLM和EBM设备都是以高能束流为热源,根据CAD分层数据选择性的扫描熔化粉床上的金属粉末,逐层累计叠加形成金属零件。SLM和EBM设备的技术特点如表1所示,其差异主要有三方面:(1)热源不同,SLM采用激光为热源和EBM采用电子束作为热源。金属材料对激光都存在不同程度反射,因此SLM对能量的利用率不及EBM,但是SLM的束斑相对于EBM更小一些,更有利于成形精细的零件特征和复杂的零件形状。EBM能量利于高,更有利于制造高导热金属、高温合金、高熔点金属零件,如紫铜、Inconel 700、钼合金等。(2)成形工作环境不同,SLM技术在惰性气体条件下熔化成形,EBM技术在真空条件下熔化成形,相比较EBM技术更有利于避免零件加工过程的氧化和增氧;(3)工作成形热温度不同,SLM最多可预热温度300℃,EBM技术可采用电子束扫描对每一层金属粉末扫描预热,使零件在600~1200℃范围内加工成形,可大幅减小成形零件的残余应力

表1 EOS M280和Arcam A2X 设备特点对比

对比项目SLM(EOS)EBM(Arcam)
工作热源激光电子束
工作环境惰性气体保护真空(<10-2Pa)
束斑直径~0.1mm0.1~2mm
预热温度小于300℃小于1200℃
金属粉末粒径10~50um50~120um
铺粉层厚度50~100um100~um
沉积速度20 cm3/hr60cm3/hr
零件制造成本两者基本相当
设备价格

图1   SLM设备与EBM设备代表

2. 成形零件及工艺特点对比

由于设备工作原理的不同,造成所制造出零件特征也有明显得的差异,具体如表2所示。总体上比较,SLM技术制造的零件具有更好的表面质量和更准确的结构细微特征,非常适合磨具制造领域的应用,但是在某些医疗植入领域,表面粗糙的EBM零件更受欢迎。另外,EBM零件变形和应力开裂的情况更少一些。

表2 SLM与EBM技术成形零件外观参数对比

项目SLMEBM
表面质量光洁度可达Ra 9~12 μm, 上表面和竖直方向表面光洁度高,下表面光洁度粗;光洁度可达Ra 25~35 μm ,上表面光洁度高,下表面和竖直方向表面光洁度粗;
残余应力较高较低
热处理需求必须做去应力退火,热等静压(HIP)更优;不需要做去应力退火, 热等静压可选做;
化学成分变化Ar气保护,可生产TC4ELI, 化学元素烧损少;真空条件成形制造, Al、Mg等低熔点元素有烧损,在粉末原材料中可弥补烧损;
支撑设计底部和小于45°斜面都需要加支撑,支撑数量多;底部水平、水平面或者易于发生过热的区域加支撑,支撑数量少;
最小壁厚0.3-0.5mm0.6-1.0mm
最小孔径竖直方向>ø0.5mm;水平方向 ˂ ø8mm;能够制造孔尺寸ø 0.5~2.0mm ,但是清除粉末的难度比较大;
腔体结构最小壁厚0.3~0.5mm, 必须留孔清理粉末;最小壁厚0.6~1.0mm ,清除粉末困难;
加工余量0.1~0.5mm,较小;0.5~2.0mm,较大;
缝隙结构>0.15mm>0.1mm,需要考虑粉末清理;

图2  SLM零件与EBM零件外观

3. 金属组织和力学性能对比

SLM与EBM相比,SLM成形过程在较低温度下进行,熔池冷却速度快,更容易形成马氏体等的快冷组织,EBM生产过程通常在退火温度以上进行,熔池冷却速度缓慢。美国Morris Technologies公司进行了Ti-6Al-4V材料SLM和EBM对比生产试验,如图3 是对比试验SLM与EBM零件金相组织对比,左边图中基本都是很细的针状马氏体,右边图中有大量针状α相,由此可以看出SLM和EBM零件的金属组织存在明显得差异。金属组织的差异必然也会引起零件力学性能的不同,如表3是对比试验试样拉伸试验性能数据,可以看出,SLM试样的强度无论是水平方向还是竖直方向都比EBM试样高,塑性都EBM要低。但是两种工艺形成的试样经过热等静压后组织基本一致,力学性能也差不多。

粉末快速成形技术对比 SLM vs EBM粉末快速成形技术对比 SLM vs EBM

图3 SLM与EBM零件金相组织对比

表3 Ti-6Al-4V多孔合金EBM工艺与SLM工艺拉伸力学性能对比

EBM成形零件HIP
方向水平竖直水平竖直
屈服强度/Mpa133.7129.8123121.9
抗拉强度/Mpa145.8144.1137.2137.1
延伸率/%12.313.513.213.9






SLM成形零件HIP
方向水平竖直水平竖直
屈服强度/Mpa162.1161.3129.1118.2
抗拉强度/Mpa171.3171.3144.3140
延伸率/%7.98.211.311.9


4. 结论

从以上对比分析中可知,目前两种工艺各有各的特点和优势,分别可应用在不同的领域。SLM在零件细节特征和复杂程度方面更具有优势,而EBM在控制零件残余应力方面好于SLM,而且EBM技术生产零件可以不进行热处理。

源自《中国增材制造》


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