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激光还是电子束?

来源:国际工业激光商情     发布时间:2022-10-11
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半个多世纪以来,激光和电子束一直在竞争,这两种技术都成为精密焊接金属的可行性技术。电子束可以产生更深的焊缝熔深,但需要真空防止电子束散射,昂贵的真空室限制了大规模应用。激光生成的焊缝熔深较小,优点是不需要真空和不受腔室限制,但易受气体污染。两种技术都有各自的价值主张和应用。


上世纪80年代末、90年代初期,美国、德国和瑞典的研究人员想出了如何使用电子束和激光将室内的金属粉末床焊接成复杂的3D形状。增材制造激光粉末床熔融(LPBF)和电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术应运而生。LPBF在90年代中期由SLM Solutions和EOS实现了商业化,而EB-PBF则由Arcam AB在1997年开始了商业化。


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图1:EB-PBF设备OEM厂商的演变


将电子束和激光粉末床熔融作为竞争技术进行比较可能是不公平的,但由于各种原因,25年后,EB-PBF在金属增材制造市场的整体采用率方面仍然远远落后于LPBF,这已不是行业秘密。


图1显示了EB-PBF随着时间的推移在OEM供应商方面的发展进程。近20年来,Arcam在推进增材制造采用方面与LPBF并肩作战并与之抗衡。GE Additive在2016年收购Arcam以利用这一市场空间,随后至少有6家新公司进入了竞争环境。


了解电子束和粉末特性之间的相互作用,防止诸如粉末冒烟等不良事件,以及提高高压架构和真空室的可靠性和稳定性,这些都是提高新公司进入EB-PBF行业领域的门槛。EB-PBF努力实现LPBF机器的生产率。对于零件制造商而言,能够在没有残余应力的情况下以更高的层厚度进行打印,受到了抽真空、冷却构建、频繁更换阴极和改善零件表面光洁度所需时间的负面影响。


EB-PBF相对于LPBF的核心优势在于其熔化高温、易开裂和反射合金的能力。该技术着眼于一种高价值、可焊接的金属,如钛,以在医疗和航空航天市场建立一个滩头阵地。开发工艺参数的大量培训要求和缺少开放的机器平台抑制了其他材料的开发速度,使EB-PBF成为钛的代名词。


图2:Gartner炒作周期上的EB-PBF和LPBF


然而,这些都是可以解决的问题。解决这些问题只需要资源和竞争来保证这些资源。在同一时间段内,激光粉末床熔融成为金属增材制造创新的热点,并受益于来自行业的激烈竞争。每个新玩家和每台新设备都试图改善LPBF工艺经济性,并使其成为市场的成熟应用。金属增材制造被激光扩散带来的生产率提高的前景迷住了(图2显示),而EB-PBF则在幻灭的低谷中挣扎。


GE Additive在2016年收购Arcam后,为了提高生产率和开发新材料,公司相继推出了两台新设备。在过去五年,至少有6家新公司加入竞争,争夺EB-PBF尚未开发的潜力。这些新进入者的时机也与一些宏观趋势相吻合,这些宏观趋势使商业环境更有利于采用增材制造。总的来说,制造业对增材制造的认识有所提高。新型冠状病毒大流行暴露了供应链缺乏弹性,并促使美国等主要经济体重新关注提高国内的制造能力。


行业拒绝接受52周的铸造提前期作为标准,因为像增材制造这样的技术可以在几周内交付替换件,无需任何工具。航空航天和医疗等受监管行业中,随着对增材制造的认证和资格标准的出现,使规则比以往任何时候都更加清晰。更好的设计软件、更好的培训和意识以及更好的整体价值链,使更多的增材制造应用程序得以实现。


增材制造行业需要可靠、可重复、能够提供高吞吐量和生产率的生产设备。今天从宏观层面来看,行业看到了10年前推动LPBF的相同因素,现在正形成推动EB-PBF进入生产性生态系统。


图3:不同厂商的EB-PBF机器比较


根据构建量和当前可用材料选择数量绘制EB-PBF机器图(图3),表明不同市场类别的竞争-研发/医疗、典型尺寸和大尺寸应用。Freemelt One(0至6kW光束)和QBeam Lab 200(3kW光束)显然旨在以较小的构建体积进行快速材料研发。


GE Arcam Q10+(3kW光束)和QBeam Med 200(3kW波束)是专门针对医疗行业的产品,其中矫形植入物等部件占地面积较小。GE Arcam Spectra L(4.5kW光束)、Wayland Calibur 3(5kW光束)和QBeam Aero 350(6kW光束)可满足利基市场对打印激光无法实现的大型零件的需求。JEOL JAM-5200EBM(6kW光束)和GE Arcam Spectra H(6kW光束)在当今大多数非医疗生产应用领域的典型应用领域中,引入了新合金的直接竞争。


以上三个类别的竞争有望推动产品的差异化,促进人员和思想的流动并帮助解决EB-PBF的痛点。随着新进入者打开开发和优化新工艺参数的平台,并专注于提高现场检测能力,EB-PBF的最新技术必将加速新合金的开发。金属间化合物、功能梯度复合材料、形状记忆合金、耐火材料和铜基合金有助于开启热传递、切削工具、机电马达、耐磨产品、核反应堆部件和其他高温应用等领域的新应用,而不仅仅是热塑性塑料杯和喷气发动机叶片。


来源:荣格-《国际工业激光商情》

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