电子束选区熔化之“吹粉”

电子束选区熔化工艺路上的拦路虎—粉末溃散（吹粉）

电子束选区熔化打印过程中由于大量的负电子形成离散/聚焦束后与粉末颗粒相互作用，导致粉末颗粒在电子束作用下带负电，从而引起库仑力，易造成“吹粉”现象，发生粉末从小区域到整个区域的瞬间扬起。吹粉的产生对整个成形过程造成不可逆的影响，引起高压放电、束流不稳定、粉末铺展不均匀等问题，继而造成打印被迫中止。严重影响着新材料的开发进度，增加了工艺进入门槛，从侧面影响着该成形制造方法的技术发展。

小艾认为，基于现有的电子束粉末床装备，防止吹粉缺陷的主要措施是优化各阶段的工艺参数，主要包括：预热功率、预热时间、预热速度、熔化束流、熔化速度、扫描样式及粉床温度。清华大学林峰团队及Arcam公司研究表明，电子束粉末床打印过程中吹粉主要原因有以下三点：一是金属粉末颗粒的形状及介质；金属粉末表面粗糙程度及电绝缘的氧化膜可作为电容器抑制电荷在粒子上的重新分布；二是预热温度；粉末床的电荷取决于颗粒之间电阻大小，电阻率随温度升高而降低；三是成形室真空度（压力）；氦气既可以作为传热介质，又可以提升成形室压力。粉末层的粉末溃散现象先发生在没有静电力或压力的表面层，因此如何减少粉末颗粒之间的静电力、如何避免束流与冷粉末颗粒的直接作用是抑制粉末溃散的主要思想。基于此，一些设备厂家就对此进行了一系列的技术升级，比如英国Wayland Additive公司利用活性离子流电荷中和技术来改善，称为：Neubeam技术；日本制造商JEOL公司采用屏蔽电子的方法以及对粉末进行球磨处理，进而补偿因工艺波动而造成粉末溃散的发生；Arcam公司主要是将粉末颗粒先按大小、球形/非球形比例进行搭配，然后在打印过程中利用阶梯式离散电子束线预烧结粉末颗粒的方法来减少吹粉现象的发生。