天游线路检测中心 使用金属 3D 打印机进行钨建模：打印高熔点金属的最新技术

2。 3D 打印钨面临的挑战以及解决这些挑战的技术

虽然钨 3D 打印前景广阔，但仍存在许多技术障碍。了解这些挑战对于选择合适的印刷技术至关重要。

致密化挑战

在钨增材制造中，成型体的致密化（密度的提高）

裂纹产生问题

钨增材制造的另一个严重问题是裂纹的出现。 LB-PBF（激光束粉末床融合）是金属3D打印机的主要建模方法。

作为应对这些挑战的解决方案，

• 通过增加熔化前的预热来缓和温度梯度
• 改进光束扫描策略
• 添加合金元素
• 使用粒度分布均匀的粉末

等正在研究中。

此外，通过选择EB-PBF（电子束粉末床熔融）作为打印方法，热工艺（在熔化工艺之前预热粉末床的工艺）
如果能够用高功率电子束使粉末充分熔化，还可以减少孔隙，这有利于增加密度。

左图是用EB-PBF制成的钨物体（15毫米立方体）的横截面照片。截面结构为高密度柱状结构（1926 g/cm³)

点击此处查看电子束金属3D打印机（EB-PBF）的详细说明

3。钨3D打印机技术的最新趋势

由于其特性，钨极难使用传统的切割或铸造方法进行加工，近年来，使用 3D 打印机的增材制造 (AM) 已得到广泛应用

这里我们介绍两个代表钨3D打印最前沿的主题。

1) 低温喷雾干燥粉末和低能量

2) 使用 EB-PBF 制造的纯钨零件的多模态缺陷成像

1) 采用低温喷雾干燥粉末和低能量 SLM 的高性能钨零件

引用：

张 Y、王 S、刘 X、孙 Z、刘 H 和黄 D (2025)。高性能钨 工程报告，7：e70426。
https://doiorg/101002/eng270426

作业

特别是SLM（选择性激光熔化法：与LB-PBF相同的技术）会出现以下问题

• 钨是一种高熔点金属，因此需要高功率和能量才能用激光熔化它。然而，过多的能量会因快速加热和冷却而产生热应力，从而更容易出现裂纹。此外，如果热量太强，钨和其他合金成分可能会蒸发，从而降低材料的质量。
• 钨具有高粘度和高表面张力，因此激光熔化的金属不会均匀扩散。结果，一些粉末仍未溶解，气体进入，形成空腔并降低强度。
• 如果钨粉颗粒的形状和尺寸不同，激光束就会不均匀。此外，如果粉末不易流动，粉末就会分布不均匀，导致层与层之间的密度不均匀，从而导致尺寸精度和强度的变化。

解决方案

• 低温喷雾干燥粉

  钨粉通常采用等离子球化等高温工艺制成，但价格昂贵且难以控制粒度和形状。如果粉末的形状或流动性较差，则无法使用SLM将其均匀熔化，从而导致缺陷增加。因此，在这项研究中，我们用水和粘合剂将钨粉制成糊状液体。

• 低能量 SLM

  传统的SLM需要极高的能量来熔化钨。然而，这会导致热应力、裂纹和元素蒸发。在本研究中，能量密度（由激光强度和条件决定）

2) 使用 EB-PBF 制造的纯钨零件的多模态缺陷成像

引用：

Zhang, H、Carriere, P、Schneberk, D、Peverall, D、Amoako, E、Sprayberry, M 和 Horn, T (2025)。材料工程与性能杂志，34(10), 9140-9152.
https://doiorg/101007/s11665-025-10918-y

作业

• EB-PBF在钨的增材制造方面很有前景，但由于制造过程中材料内部会出现微小缺陷和不均匀区域，因此很难保证产品的质量。
• 传统的缺陷检测方法包括X射线CT和光学检查，但它们在分辨率方面存在局限性，且X射线无法充分穿透钨，因此难以准确掌握内部结构。
• EB-PBF环境为高温、真空，传感器集成和实时控制困难。

解决方案

• “电子成像”“熔化后近红外 (NIR) 成像”“构建后 X 射线计算机断层扫描 (CT)

JEOL 是电子显微镜制造商独有的 BSE（背散射电子）。

*目前，结果仅限于Ti64材料，但我们计划将来将其应用于钨等其他材料。

4。钨丝打印的最佳3D打印机打印方法

1。 LB-PBF（激光粉末床法）

LB-PBF 是一层非常薄的金属粉末层（约 20 μm 至 50 μm）。

LB-PBF 制造的零件质量受激光输出、扫描速度、光束直径、粉末层厚度和激光照射间隔等条件的影响很大。同样重要的是激光到达粉末并被吸收的程度，这些条件极大地影响钨零件的光洁度。与 DED 和 EB-PBF 相比，LB-PBF 的光束直径更小，这导致温度梯度增大，同时冷却速率更快。因此，由于温度梯度，更容易产生裂纹。

此外，当用激光熔化粉末时，粉末可能会分散或周围的粉末可能会移动。这就是飞溅（激光熔化粉末时熔融金属和粉末飞散的现象）。

2。 EB-PBF（电子束粉末床法）

EB-PBF是一种使用电子束代替激光逐层熔化粉末的方法，并且在真空中进行，以确保高能电子束的稳定照射。在 EB-PBF 中，材料在打印过程中被加热到高温。

与LB-PBF相比，用EB-PBF制成的零件具有较低的热应力，并且通过在整个粉末中移动电子束，可以实现局部热管理，从而更容易控制微观结构。因此，有利于稳定显微组织和抑制裂纹。然而，对于钨等超高熔点材料来说，建模时必须具备耐热设计以承受1000°C以上的高温环境，并设计光束扫描来抑制热裂纹，因此并非所有EB-PBF机器都能轻松生产出无裂纹的模型。

为了解决这些问题，JEOL 的电子束金属 3D 打印机结合了能够承受高温环境的独特耐热设计和防止钨热裂的光束扫描控制，能够打印纯钨零件。此外，JEOL是目前唯一一家成功制造大型钨零件且不产生裂纹的公司。

5。总结

钨具有高熔点和高强度，是核聚变反应堆、航空航天、医学等广泛领域的重要材料，但利用常规加工制造复杂形状一直很困难。使用3D打印机的增材制造克服了这一限制，并大大扩展了设计自由度。

另一方面，LB-PBF 由于快速冷却而存在裂纹和致密化不足的问题。相比之下，EB-PBF（电子束粉末床法）

未来，通过根据应用和质量保证技术的发展选择最佳工艺，钨3D打印的普及将进一步加速。

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6。参考文献

李华、沉Y、吴X、王D和杨Y (2024)。钨激光粉末床熔融的进展，
https://doiorg/103390/mi15080966

Howard, L、Parker, GD 和 Yu, X-Y。 （2024）。增材制造的进展与挑战
https://doiorg/103390/ma17092104