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| 雷射束熔融（EBM）1994年瑞典 ARCAM 子公司申請(qǐng)的一份專利權(quán) ，所合作開發(fā)的控制技術(shù)稱為雷射束熔融成形控制技術(shù)（Electron Beam Melting） ，ARCAM子公司也是世界上首家將雷射束快速鍛造商品化的子公司，再于2003 年推出第二代設(shè)備 ，此后麻省理工學(xué)院 、美國(guó)國(guó)家航空航天局、北京航空鍛造工程研究所和我國(guó)北京大學(xué)均合作開發(fā)出了各自的如前所述雷射束的快速鍛造系統(tǒng) 。麻省理工學(xué)院合作開發(fā)的雷射束虛擬自由成形控制技術(shù)（ Electron Beam Solid Freeform Fabrication ，EBSFF）。EBSFF 控制技術(shù)選用送絲形式供應(yīng)成形金屬材料前兩種借助雷射束熔融細(xì)絲材 ，雷射束靜止不動(dòng) ，細(xì)絲材通過送絲裝置和滾珠軸承移動(dòng)，與雷射近形鍛造控制技術(shù)類似于 ，雷射束DIP沉積快速鍛造時(shí) ，負(fù)面影響不利因素非常多，如雷射束流 、快速電阻 、著眼電阻、偏擺掃描器、工作距離、鉆孔體育運(yùn)動(dòng)速率、送絲速率、送絲方位角、送絲角度、絲端距鉆孔的高度、絲材張開寬度等。這些不利因素共同促進(jìn)作用負(fù)面影響熔積體橫截面歐幾里得穩(wěn)態(tài) ，確界定單個(gè)不利因素的促進(jìn)作用非常困難；瑞典 ARCAM 子公司與北京大學(xué)雷射束合作開發(fā)的議席熔融（EBSM）借助雷射束熔融鋪在滾珠軸承底下的坩堝 ，與雷射議席熔融控制技術(shù)類似于 ，借助雷射束動(dòng)態(tài)偏移同時(shí)實(shí)現(xiàn)熔融成形，該控制技術(shù)不需要二維體育運(yùn)動(dòng)組件 ，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)坩堝的快速掃描器成形 。雷射束議席熔融（EBSM）原理類似于雷射議席熱處理和雷射議席熔融工藝技術(shù)，雷射束議席熔融控制技術(shù)（EBSM）是一種選用高能量高速路的雷射束特異性地炮擊坩堝 ，從而使得粉末狀金屬材料熔融成形的快速鍛造控制技術(shù) 。EBSM控制技術(shù)的工藝技術(shù)過程為：先在鋪粉正方形上蔗茅一層粉末狀；然后 ，雷射束在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下按照橫截面線條的信息展開有選擇的熔融 ，坩堝在雷射束的炮擊下被熔融在一起，并與下面已成形的部分成膜 ，一層層沉積 ，直到整個(gè)配件全部熔融完成；最后 ，除去累贅的粉末狀便得到所需的二維產(chǎn)品 。楊瑞麟機(jī)的動(dòng)態(tài)掃描器信號(hào)經(jīng)步進(jìn)及圣克雷潘后傳達(dá)給偏移線圈，雷射束在相關(guān)聯(lián)的偏移電阻產(chǎn)生的電場(chǎng)促進(jìn)作用下偏移 ，達(dá)到特異性熔融 。經(jīng)過十多年的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于一些工藝技術(shù)模塊如雷射束電阻、著眼電阻 、促進(jìn)作用天數(shù) 、粉末狀寬度、快速電阻 、掃描器形式展開共軛實(shí)驗(yàn)。促進(jìn)作用天數(shù)對(duì)成形負(fù)面影響最大。雷射束議席熔融的優(yōu)勢(shì)雷射束直接金屬成形控制技術(shù)選用高能量雷射束作為加工熱源，掃描器成形可通過操縱磁偏移線圈展開，沒有機(jī)械慣性，且雷射束具有的真空環(huán)境還可避免坩堝在液相熱處理或熔融過程中被氧化。 雷射束與雷射相比，具有能量借助率高、促進(jìn)作用深度大、金屬材料吸收率高、穩(wěn)定及運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。EBM控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是成形過程效率高，配件變形小，成形過程不需要金屬支撐，微觀組織更致密等 雷射束的偏移著眼控制更加快速、靈敏。雷射的偏移需要使用振鏡，在雷射展開高速路掃描器時(shí)振鏡的轉(zhuǎn)速很高。在雷射功率較大時(shí)，振鏡需要更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描器時(shí)，雷射的掃描器速率將受到限制。在掃描器較大成形范圍時(shí)，雷射的焦距也很難快速的改變。雷射束的偏移和著眼借助電場(chǎng)完成，可以通過改變電信號(hào)的強(qiáng)度和方向快速靈敏的控制雷射束的偏移量和著眼寬度。雷射束偏移著眼系統(tǒng)不會(huì)被金屬蒸鍍干擾。用雷射和雷射束熔融金屬的時(shí)候，金屬蒸汽會(huì)彌散在整個(gè)成形空間，并在接觸的任何物體表面鍍上金屬薄膜 。雷射束偏移著眼都是在電場(chǎng)中完成，因而不會(huì)受到金屬蒸鍍的負(fù)面影響 ；雷射器振鏡等光學(xué)器件則容易受到蒸鍍污染 。雷射束議席熔融的主要問題真空室抽氣過程中粉末狀容易被氣流帶走，造成真空系統(tǒng)的污染；但其存在一個(gè)比較特殊的問題即粉末狀潰散現(xiàn)象，其原因是雷射束具有較大動(dòng)能，當(dāng)高速路炮擊金屬原子使之加熱、升溫時(shí)，電子的部分動(dòng)能也直接轉(zhuǎn)化為粉末狀微粒的動(dòng)能。當(dāng)粉末狀流動(dòng)性較好時(shí)，粉末狀顆粒會(huì)被雷射束推開形成潰散現(xiàn)象。防止炊粉的基本原則是提高粉床的穩(wěn)定性，克服雷射束的推力，主要有四項(xiàng)措施：降低粉末狀的流動(dòng)性，對(duì)粉末狀展開預(yù)熱，對(duì)成形底板展開預(yù)熱，優(yōu)化雷射束掃描器形式。因此，粉末狀金屬材料一直很難成為真空雷射束設(shè)備的加工對(duì)象，工藝技術(shù)模塊方面的研究更是鮮有報(bào)導(dǎo)。針對(duì)粉末狀在雷射束促進(jìn)作用下容易潰散的現(xiàn)象，提不同粉末狀體系所能承受的雷射束域值電阻（潰散電阻）和雷射束掃描器域值速率（潰散速率）判據(jù)，并在此基礎(chǔ)上研究出混合粉末狀； EBM控制技術(shù)成形室中必須為高真空，才能保證設(shè)備正常工作，這使得EBM控制技術(shù)整機(jī)復(fù)雜度提高。還因在真空度下粉末狀容易揚(yáng)起而造成系統(tǒng)污染。此外，EBM控制技術(shù)需要將系統(tǒng)預(yù)熱到800℃以上，使得粉末狀在成形室內(nèi)預(yù)先熱處理固化在一起，高預(yù)熱溫度對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)提出非常高的要求，加工結(jié)束后配件需要在真空成形室中冷卻相當(dāng)長(zhǎng)一段天數(shù)，降低了配件的生產(chǎn)效率。雷射束無法比較難像雷射束一樣著眼出細(xì)微的光斑因此成形件難以達(dá)到較高的尺寸精度。因此，對(duì)于精密或有細(xì)微結(jié)構(gòu)的功能件，雷射束議席熔融成形控制技術(shù)是難以直接鍛造出來的。 雷射束偏移誤差。EBSM系統(tǒng)選用磁偏移線圈產(chǎn)生電場(chǎng)，使電子偏移。由于偏移的非線性以及電場(chǎng)的非均勻性 ，雷射束在大范圍掃描器時(shí)會(huì)出現(xiàn)枕形失真 。大偏角時(shí)的散焦。EBSM系統(tǒng)選用著眼線圈使雷射束著眼 。若著眼線圈中的電阻恒定 ，雷射束的著眼面為球面，而雷射束在正方形上掃描器 。因此 ，雷射束在不偏移時(shí)著眼，而在大角度偏移時(shí)出現(xiàn)散焦 。國(guó)內(nèi)外研究狀況從 2003 年推出第一臺(tái)設(shè)備 S12 至今 ，ARCAM 推出了三款成形設(shè)備。在新一代成形設(shè)備 A1 、A2成形設(shè)備中 ，成形配件的最大尺寸和精度都有較大的提高，并且在成形配件的冷卻中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)冷卻。在成形和冷卻的過程中在真空室充入一定壓強(qiáng)的氦氣，可以快速成形后的冷卻速率，同時(shí)保持更低的氧含量。A1、A2 設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域也更加明確，A1 主要用來成形骨骼植入物，成形金屬材料也主要為鈦、鈷合金；A2 主要用于成形航天航空領(lǐng)域和國(guó)防領(lǐng)域需要的配件，也制作其它領(lǐng)域成形復(fù)雜度高的小批量金屬件。ARCAM 選用最新生產(chǎn)的 A1 和 A2 設(shè)備，生產(chǎn)了大量精度和強(qiáng)度更加優(yōu)良的配件，其中借助 A1 生產(chǎn)的合金骨骼早已通過了 CE 認(rèn)證，迄今在歐洲大陸已經(jīng)造福超過 10，000 名患者，在 2011 年初也通過了美國(guó) FDA 的認(rèn)證。借助 A2 生產(chǎn)的航空和國(guó)防領(lǐng)域的產(chǎn)品也取得了顯著的成果，除了具有以上所說的表面光滑，可加工復(fù)雜形狀，還將原金屬材料到最終產(chǎn)品質(zhì)量的比率由 15～20 降到了約為 1，大大的降低了成本 。美國(guó) NASA Langley Research Center 、Sciaky 子公司、Lockheed Martin 子公司等研究單位針對(duì)航空航天鈦合金 、鋁合金結(jié)構(gòu)開展了大量研究 ，最大成形速率達(dá)到了 3500cm3／h，較之其它的金屬快速成形控制技術(shù) ，效率提高了數(shù)十倍 。借助該項(xiàng)控制技術(shù)完成了F－22 上鈦合金支座的直接鍛造，該配件成功通過了兩個(gè)周期的最大載荷全譜疲勞測(cè)試 ，并未發(fā)現(xiàn)永久變形 。在國(guó)內(nèi)北京大學(xué)機(jī)械系獨(dú)立的合作開發(fā)了雷射束議席熔融設(shè)備，在 2004 年推出第一臺(tái)雷射束議席熔融成形設(shè)備 EBSM150 ，再于 2008 年升級(jí)到第二代設(shè)備EBSM250 ，成形配件最大尺寸增大至 230mm×230mm×250mm。該課題組使用自行合作開發(fā)的設(shè)備 ，對(duì)雷射束議席熔融工藝技術(shù)的多個(gè)關(guān)鍵問題展開了深入的研究 ，在近十年的天數(shù)內(nèi)，做了大量研發(fā)工作，包括成形控制系統(tǒng)合作開發(fā) 、粉末狀預(yù)熱工藝技術(shù) 、掃描器路徑規(guī)劃、成形件的機(jī)械性能等 。 |
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