電子束熔融技術經過密集的深度研發，現已廣泛應用於快速原型製作、快速製造、工裝和生物醫學工程等領域。電子束熔融技術使用電子束，將金屬粉末一層一層的融化生成完全緻密的零件。
電子束熔融技術具有沉積效率高、成件內部質量好、降低成本、可靠性高，控制靈活等優勢。利用電子束增材製造（EBAM）技術設計研製大型複雜火箭噴管，涉及學科廣泛，技術複雜，因此相關項目運用於實際應用的案例較少，目前大部分技術仍停留在科研階段。基於電子束增材製造技的大型複雜火箭噴管需解決的難點及關鍵技術包括：如何在高真空室內複雜溫度場環境下，進行高精度機械運動結構研製；以及如何對複雜溫度場進行設計及控制等。
本期谷.專欄文章,針對電子束增材製造（EBAM）火箭噴管設計的難點 ，通過對打印腔室內處於不同打印進程的工件與打印腔室壁面之間的熱輻射的模擬計算研究，為後期複雜噴管產品設計提供參考依據。
電子束熔融技術
電子束由位於真空腔頂部的電子束槍生成。電子槍是固定的，而電子束則可以受控轉向，到達整個加工區域。電子從一個絲極發射出來，當該絲極加熱到一定溫度時，就會放射電子。電子在一個電場中被加速到光速的一半。然後由兩個磁場對電子束進行控制。第一個磁場扮演電磁透鏡的角色，負責將電子束聚焦到期望的直徑。第二個磁場將已聚焦的電子束轉向到工作臺上所需的工作點。因此EBM工藝具有直接加工複雜幾何形狀的能力，非常適於小批量複雜零件的直接量產。應用CAD軟件設計3D模型，該工藝可以獲得用其它製造技術無法形成的幾何形狀，使零件定製化成為可能。它直接使用CAD數據，一步到位，所以速度很快。
電子束熔融（EBM）技術又分為電子束熔絲沉積成形（見圖1a所示）和電子束選區熔化成形（見圖1b所示）。
圖1 電子束熔融技術示意圖 a. 電子束熔絲沉積成形， b. 電子束選區熔化成形。來源：安世亞太
電子束熔絲沉積成形技術中，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池並熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動使金屬材料逐層凝固堆積。電子束選區熔化成形技術中，電子束按預先規劃的路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末;完成一個層面的掃描後，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反覆進行，層層堆積。
相比於激光熔覆技術，電子束熔覆技術具有以下優點：
1、該技術的沉積效率高。電子束可以很容易實現數大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積速率，對於大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形速度優勢十分明顯。
2、成件的內部質量好。電子束是形成的熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現象;同時，利用電子束掃描對熔池進行旋轉攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。
3、真空環境有利於零件的保護，能有效避免空氣中有害雜質(氧、氮、氫等)在高溫狀態下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工。無需消耗保護氣體，僅消耗電能及不多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環使用，因此可降低生產成本。
4、電子束輸出功率可在較寬的範圍內調整，並可通過電磁場實現對束流運動方式及聚焦的靈活控制，無機械運動，可靠性高，控制靈活，反應速度快。利用面掃描技術，能夠實現大面積預熱及緩冷，實時調節控制零件表面溫度，減少缺陷與變形；利用多束流分束加工技術，可以實現多束流同時工作，在同一臺設備上，既可以實現熔絲沉積成形，也可以實現深熔焊接。
利用電子束增材製造（EBAM）技術設計研製大型複雜火箭噴管目前在國內基本空缺，國際上也很難見到。它涉及學科廣泛，技術複雜，因此相關項目運用於實際應用的案例比較少，目前大部分技術仍停留在科研階段。
圖2 電子束增材製造設備 a. 正視圖 b. 三維圖。來源：安世亞太
需解決的難點及關鍵技術：
1、高真空室內複雜溫度場環境下，高精度機械運動結構的研製：
在高真空室內複雜溫度場環境下，工件由於受到高溫影響會熱變形。這就要求打印材料耐高溫，潤滑油要耐高溫，打印工件承載性能高等。因此在設計過程中在材料選用，溫度場控制，機械結構設計等方面與傳統設計有很大差異。
2、複雜溫度場的設計及控制：
複雜溫度場的設計及控制是指針對所有零部件及工件溫度的需要進行溫度場設計。在對已設計的結構進行溫度場分析，將滿足不了的溫度場部位，從新進行溫度場結構設計，來滿足所有零部件及工件溫度的需要的設計。通過對溫度場的設計及控制實現對打印成品的精度要求。
如上文所述，打印工件處於高真空室內複雜溫度場環境，在長時間的打印工程中為避免腔體內溫度梯度過大而使工件發生熱變形，在打印過程中需要向系統傳輸熱量。而該電子束增材製造設備體積較大，腔體的表面積也相對較大，因此加劇了整個系統的散熱效率。而本文僅對打印腔室內處於不同打印進程的工件與打印腔室壁面之間的熱輻射進行初步模擬計算，為後期的產品設計提供一個參考依據。
計算模型設置
計算中假設打印腔體的頂部及側面與外界直接接觸的區域為室溫，底部與打印機底板接觸的區域絕熱。打印工件為恆定高溫，故模型中部矩形區域為恆定700°C。單壁面導熱模型邊界條件見圖3所示。
圖3 邊界條件意圖：單壁面導熱設計。來源：安世亞太
本文重點探究打印工件表面與打印腔室內表面的輻射傳熱，並依此計算底部加熱板對打印工件的傳熱以保證打印工件維持恆定高溫。分析估計打印腔體的隔熱性與腔體壁面對熱量的吸收率很大程度上影響了系統熱量的變化。本次計算考慮最終成型件對打印中及打印完成時印工件表面與打印腔室內表面的輻射傳熱的不同模型進行模擬（表格1）。
結果分析及結論
通過仿真計算分析，為了更直觀的體現隔熱材料對腔體內溫度的影響，圖4a和圖4b分別展示了當吸收率為0.1時有隔熱材料與無隔熱材料的腔體內溫度雲圖。
圖4 腔體內溫度雲圖 a無隔熱層 b有隔熱層
根據工程判斷，打印工件向外輸出的熱量全部通過輻射形式傳出給牆面。表2計算了不同工況下打印工件表面向外輻射的熱功率。
表2 工件表面總熱功率（kw）計算數據。來源：安世亞太
通過表2可知，對於導熱與隔熱兩種幾何模型來說，S2S和DO模型在熱輻射計算結果來看差別不大，尤其是隔熱模型，當腔體內壁面吸收率較小時兩模型之間的數值差異可忽略不計。對比導熱模型（單層壁面）和隔熱模型（雙層壁面）的工件表面輻射功率可知，隔熱層的應用會大幅度減小系統內的熱量散失。另外，工件表面向外部環境輻射的總功率隨內壁面對熱量吸收率的減小而減小，即工件向外輻射能量隨壁面反射率增大而減小。通過分析還發現內壁面對熱量吸收率對導熱模型的影響大於對隔熱模型的影響。
張亦舒
安世亞太增材設計仿真部流體諮詢工程師，美國Colorado State University環境工程學士，環境流體力學碩士。參與國內外多個工程項目，專長紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機機型方面，對FDM與DMD機型均有仿真計算經驗。
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