Pembuatan Bahan Tambahan Tungsten oleh Pencetak 3D Logam: Teknologi Terkini untuk Menghasilkan Logam Takat Lebur Tinggi
Ruangan ini menerangkan teknologi canggih dalam pembuatan bahan tambahan tungsten dan cabarannya, berserta cara mengatasi cabaran ini. Selain itu, situasi semasa fabrikasi tungsten termasuk isu pemadatan dan retakan, ciri-ciri kaedah pembuatan utama dan trend terkini.
1. Peningkatan tahap kebebasan reka bentuk tungsten oleh mesin pembuatan bahan tambahan logam (pencetak 3D)
Tungsten mempunyai takat lebur tertinggi (3422°C) antara logam. Takat lebur yang sangat tinggi ini, serta kekonduksian terma yang tinggi, ketumpatan tinggi, pekali pengembangan linear yang rendah, dan kekuatan yang tinggi, tungsten telah digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang dan industri seperti pencahayaan, relau suhu tinggi, semikonduktor, peralatan, peralatan perubatan, dan sebagainya. Penggunaannya termasuk filamen lampu pijar, bahan untuk relau suhu tinggi, elektrod kimpalan, alat pemotong, kateter medial, dan kolimator untuk imbasan CT. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh ciri-cirinya, sangat sukar untuk memprosesnya menggunakan proses pembuatan dan penuangan sedia ada yang mengakibatkan kekangan apabila mereka bentuk bahagian yang rumit.
Baru-baru ini, cabaran untuk mengeluarkan tungsten tanpa kekangan reka bentuk menjadi mungkin disebabkan oleh kemajuan teknologi pembuatan bahan tambahan atau percetakan 3D.
Bidang yang paling difokuskan dalam pembuatan tungsten adalah untuk aplikasi praktikal reaktor pelakuran nuklear. Dengan tindak balas pelakuran nuklear, plasma teras mencapai suhu ratusan juta darjah. Komponen permukaan plasma, juga dikenali sebagai PFC, dikehendaki mempunyai rintangan haba dan rintangan percikan yang sangat tinggi (sifat di mana permukaan cenderung untuk tidak dikikis oleh perlanggaran zarah plasma). Tungsten telah diguna pakai oleh projek pelakuran nuklear di negara-negara di seluruh dunia sebagai bahan calon utama. Dinding untuk reaktor boleh dihasilkan dengan kaedah sedia ada, tetapi ini mempunyai beberapa kekangan dalam reka bentuk dan pemprosesan apabila saluran penyejukan diperlukan untuk dibina di dalamnya. Pembuatan tambahan oleh pencetak 3D mengurangkan kekangan ini dan membolehkan pembuatan geometri kompleks dan menggabungkan pelbagai bahagian menjadi satu. Dijangkakan apabila teknologi bertambah baik akan membolehkan kebebasan reka bentuk selanjutnya untuk reaktor pelakuran nuklear.
Tambahan pula, dalam bidang aeroangkasa, bahan dengan rintangan haba dan kakisan yang sangat tinggi diperlukan untuk struktur dalam persekitaran aliran gas suhu tinggi seperti muncung dan bahagian pendorong enjin roket. Tungsten dan aloinya dianggap sebagai calon yang berpotensi untuk kegunaan sedemikian kerana takat leburnya yang tinggi, kekuatan tinggi, dan ketumpatan yang tinggi.
Dalam bidang perubatan, permintaan untuk tungsten telah berkembang sebagai bahan pelindung sinaran dalam terapi sinaran dan peranti diagnostik. Dalam bidang peralatan elektronik, ia juga berkembang sebagai elektrod berketumpatan tinggi dan bahan struktur pelesapan haba.
Oleh itu, aplikasi praktikal tungsten telah mendapat permintaan untuk memacu teknologi asas yang akan menyokong masa depan manusia seperti tenaga, angkasa lepas dan bidang perubatan. Pembuatan melalui percetakan 3D memungkinkan untuk mereka bentuk dan menghasilkan bahagian-bahagian yang tidak mungkin sebelum ini dan membawa kemajuan besar dalam aplikasi praktikal teknologi canggih menggunakan tungsten.
2. Cabaran untuk pembuatan bahan tambahan (percetakan 3D) tungsten dan teknologi untuk penyelesaiannya
Walaupun pembuatan bahan tambahan (percetakan 3D) tungsten adalah mungkin, ia menghadapi banyak halangan teknikal yang menjadikannya sukar untuk mencetak Tungsten dengan jayanya. Adalah penting untuk memahami cabaran ini bagi memilih teknologi percetakan 3D yang sesuai.
Ketumpatan
Ketumpatan bahagian merupakan isu teknikal yang penting dalam pembuatan bahan tambahan tungsten. Amat sukar untuk mencapai ketumpatan penuh tungsten kerana takat leburnya yang tinggi dan kelikatan yang tinggi apabila dicairkan. Jika tenaga input semasa percetakan terlalu rendah, serbuk tidak cukup cair, dan liang pori kekal. Sebaliknya, jika input tenaga terlalu tinggi, masalah lain akan berlaku seperti penghasilan liang gas akibat penyejatan logam cair. Dalam erti kata lain, kunci untuk meningkatkan ketumpatan adalah dengan mencairkan tungsten secara stabil dengan tenaga optimum.
Penjanaan Retak
Satu lagi isu utama dalam pembuatan bahan tambahan tungsten ialah penghasilan retakan (pemecahan). Dalam pembuatan bahan tambahan tungsten oleh LB-PBF (Laser Beam Powder Bed Fusion), kaedah percetakan 3D logam yang popular, menyebabkan tekanan haba yang besar di dalam bahan disebabkan oleh kitaran pemanasan dan penyejukan pantas oleh laser semasa percetakan, yang menyebabkan retakan. Di samping itu, apabila oksigen memasuki bahagian yang dicetak, lompang mikro yang dipanggil "liang nano" cenderung terbentuk di sempadan butiran, mewujudkan titik lemah yang menjadikan retakan lebih berkemungkinan berlaku.
Untuk menyelesaikan isu-isu ini:
- Pengurangan kecerunan suhu dengan meningkatkan suhu pra-pemanasan sebelum pencairan
- Pertimbangan strategi imbasan pancaran
- Penambahan unsur pengaloi
- Penggunaan serbuk dengan taburan saiz zarah yang konsisten
Resolusi lain sedang disiasat.
Di samping itu, dengan memilih EB-PBF (Electron Beam Powder Layer Fusion) sebagai kaedah pencetakan, kecerunan suhu akibat proses panas (proses pra-pemanasan serbuk sebelum memulakan proses peleburan) akan diturunkan dan mengurangkan retakan semasa pencetakan.
Jika serbuk boleh dicairkan secukupnya oleh pancaran elektron berkuasa tinggi, liang pori boleh dikurangkan, menghasilkan keunggulannya dalam pemadatan.
Rajah kiri menunjukkan gambar keratan rentas bahagian tungsten yang dicetak oleh EB-PBF (kubus 15 mm). Keratan rentas menunjukkan mikrostruktur berorientasikan kolumnar, yang membolehkan ketumpatan tinggi (19.26 g/cm3) mencetak tanpa retakan yang kelihatan.
Klik di sini untuk penjelasan terperinci tentang pencetak 3D logam alur elektron (EB-PBF).
3. Trend terkini teknologi percetakan 3D untuk tungsten
Disebabkan oleh ciri-cirinya, pemprosesan tungsten melalui pemesinan dan penuangan konvensional adalah sangat sukar. Baru-baru ini, pembuatan bahan tambahan (AM) melalui percetakan 3D telah difokuskan sebagai langkah untuk menyelesaikan isu-isu tersebut. Seperti yang telah kami perkenalkan dalam Bab 2, pembuatan bahan tambahan melalui percetakan 3D juga mempunyai isu-isu seperti pemadatan dan retakan.
Di sini, kami membentangkan dua topik yang menunjukkan barisan hadapan percetakan 3D tungsten.
2) Pengimejan kecacatan multimodal bahagian tungsten tulen yang dicetak oleh EB-PBF
1) Bahagian tungsten berprestasi tinggi disebabkan oleh Serbuk Semburan Kering Suhu Rendah dan SLM Tenaga Rendah
rujukan:
Zhang, Y., Wang, S., Liu, X., Sun, Z., Liu, H., & Huang, D. (2025). Komponen Tungsten Berprestasi Tinggi melalui Serbuk Semburan Kering Suhu Rendah dan SLM Tenaga Rendah: Satu Penemuan untuk Pembuatan Bahan Tambahan Logam Refraktori. Laporan Kejuruteraan, 7:e70426.
https://doi.org/10.1002/eng2.70426
Isu
Isu-isu berikut timbul, khususnya dengan SLM (Kaedah peleburan laser terpilih: teknologi yang sama seperti LB-PBF)
- Memandangkan tungsten ialah logam dengan takat lebur yang tinggi, kuasa/tenaga tinggi diperlukan untuk mencairkannya dengan laser. Walau bagaimanapun, tenaga berlebihan boleh menyebabkan tekanan haba akibat pemanasan dan penyejukan yang cepat, dan ia cenderung menyebabkan retakan. Tambahan pula, jika pemanasan terlalu kuat, komponen tungsten dan aloi akan tersejat, menyebabkan penurunan kualiti bahan.
- Oleh kerana tungsten mempunyai kelikatan yang tinggi dan tegangan permukaan yang tinggi, logam cair tidak tersebar secara seragam. Akibatnya, sebahagian daripada serbuk kekal sebagai serbuk, dan gas masuk ke dalam logam menyebabkan liang, sekali gus mengurangkan kekuatannya.
- Jika bentuk dan saiz zarah serbuk tungsten berbeza-beza, penyinaran laser akan menjadi tidak sekata. Di samping itu, jika serbuk tidak mengalir dengan lancar, ini menyebabkan kawasan serbuk yang tidak sekata semasa menyebarkan serbuk. Oleh itu, ketumpatan oleh laser menjadi tidak sekata, menyebabkan variasi dalam ketepatan dan kekuatan saiz.
Resolusi
-
Serbuk Semburan Kering Suhu Rendah
Serbuk tungsten biasanya dihasilkan melalui proses suhu tinggi seperti sferoidisasi plasma. Walau bagaimanapun, proses ini mahal, dan ia mempunyai masalah kesukaran dalam mengawal kebutiran dan bentuk. Jika kecairan dan bentuk serbuk tidak baik, pencairan seragam tidak mungkin dilakukan dengan SLM, lalu meningkatkan kecacatan. Oleh itu, dalam kajian ini, kami mencampurkan serbuk tungsten dengan air dan pengikat untuk menjadikannya cecair pekat (buburan), serbuk boleh ditaburkan secara sekata. Dengan menyembur buburan dan mengeringkan kelembapan tambahannya dengan angin panas, serbuk sfera dengan sifat yang sesuai untuk proses SLM boleh diperolehi.
-
SLM Tenaga Rendah
SLM konvensional memerlukan tenaga yang sangat tinggi untuk mencairkan tungsten. Walau bagaimanapun, ini menyebabkan tekanan haba, retakan dan penyejatan elemen. Dalam kajian ini, apabila nisbah antara ketumpatan tenaga (ditentukan oleh kekuatan laser dan keadaan) dan kelajuan pengimbasan (kelajuan laser berjalan) menjadi 2 atau lebih rendah, kecerunan suhu berkurangan dan retakan dapat dicegah. Mengikut keadaan kertas ini, ia mengatakan bahawa retakan berkurangan sebanyak 78%.
2) Pengimejan kecacatan multimodal bahagian tungsten tulen yang dicetak oleh EB-PBF
rujukan:
Zhang, H., Carriere, P., Schneberk, D., Peverall, D., Amoako, E., Sprayberry, M., & Horn, T. (2025). Pengimejan kecacatan multimodal komponen tungsten tulen yang dibuat melalui gabungan lapisan serbuk alur elektron.
Jurnal Kejuruteraan dan Prestasi Bahan, 34(10), 9140-9152.
https://doi.org/10.1007/s11665-025-10918-y
Isu
- EB-PBF menjanjikan dalam fabrikasi AM tungsten. Walau bagaimanapun, jika terdapat kecacatan kecil yang disebabkan semasa proses percetakan atau kehadiran kawasan yang tidak rata di dalam bahan, adalah sukar untuk menjamin kualiti bahagian-bahagiannya.
- Kaedah konvensional untuk mengesan kegagalan adalah CT-ray dan pemeriksaan optik. Sukar untuk memahami struktur dalaman dengan tepat, disebabkan oleh had resolusi dan penghantaran sinar-X ke dalam tungsten yang tidak mencukupi.
- Persekitaran EB-PBF berada dalam suhu tinggi dan dalam vakum, gabungan sensor dan kawalan masa nyata adalah sukar.
Resolusi
- Hasil daripada penilaian dengan 4 kaedah berikut iaitu "Pengimejan Elektron", "Pengimejan Inframerah Dekat Pasca-cair (NIR)", "Pengimejan Tomografi Berkomputer (CT) Pasca-binaan", dan "Pengimejan Metalografi Pemusnah", "Pengimejan Elektron" telah membuktikan bahawa ia berkemungkinan menjadi penilaian yang paling sesuai. Pengimejan Elektron membolehkan penilaian masa nyata terhadap kualiti bahagian yang rumit, dengan mengumpul dan menganalisis elektron yang dipancarkan daripada bahan, membolehkan kesan yang sama seperti menggunakan mikroskop elektron semasa pencetakan.
JEOL sedang dibangunkan untuk fungsi pemantauan BSE (Elektron Terserak Belakang) yang hanya boleh dilakukan dengan kepakaran dalam mikroskopi elektron. Pemerhatian in-situ terhadap kekasaran permukaan lebur boleh dilakukan dengan memerangkap BSE yang dipancarkan daripada pancaran elektron. Teknologi mikroskop elektron yang mengesan elektron terserak balik digunakan untuk kawalan kualiti produk yang dicetak, yang hanya boleh dilakukan dengan pencetak 3D logam pancaran elektron.
* Pada masa ini, keupayaan ini hanya terhad kepada bahan Ti64. Pada masa hadapan, aplikasi akan merangkumi bahan lain seperti tungsten.
4. Kaedah Pembuatan Bahan Tambahan Optimum untuk Tungsten
1. LB-PBF (Kaedah Gabungan Lapisan Serbuk Laser)
LP-PBF menggunakan lapisan serbuk logam yang sangat nipis (kira-kira 20 μm hingga 50 μm) dan mencairkan keratan rentas bahagian menggunakan laser untuk membuat satu bahagian. Proses ini dilakukan dalam persekitaran argon di mana kepekatan oksigen adalah rendah. Ia membolehkan penghasilan bahagian tungsten nipis yang tidak mungkin dilakukan dengan kaedah konvensional. Kerja tambahan sedang dilakukan untuk mencetak bahagian yang lebih kompleks menggunakan aloi tungsten tulen atau aloi tungsten.
Kualiti produk yang dicetak oleh LB-PBF sangat bergantung pada keadaan seperti output laser dan kelajuan imbasan, diameter pancaran, ketebalan lapisan serbuk, selang penyinaran. Selain itu, adalah penting tahap sentuhan laser dengan serbuk dan seberapa baik laser diserap. Keadaan ini sebahagian besarnya mempengaruhi kemasan bahagian tungsten. Berbanding dengan DED dan EB-PBF, LB-PBF menggunakan diameter pancaran yang lebih kecil, sekali gus meningkatkan kecerunan suhu, sekaligus meningkatkan kelajuan penyejukan. Oleh itu, keretakan akibat kecerunan suhu cenderung berlaku.
Di samping itu, apabila serbuk dicairkan oleh laser, fenomena percikan serbuk atau pergerakan serbuk di sekitar laser akan muncul. Ini dipanggil percikan (fenomena apabila serbuk dicairkan oleh laser, logam cair dan percikan serbuk) dan penyamaran (fenomena di mana serbuk di sekitar laser ditiup angin). Ini boleh menyebabkan retakan dan kecacatan seperti liang pori bergantung pada keadaan, dan oleh itu, terdapat masalah dalam pemadatan. Dengan memahami ciri-ciri ini dan menetapkan keadaan dengan betul, LB-PBF digunakan sebagai teknologi pembuatan termaju yang membolehkan pengeluaran bahagian walaupun dengan logam takat lebur yang tinggi.
2. EB-PBF (Kaedah Gabungan Lapisan Serbuk Rasuk Elektron)
EB-PBF ialah kaedah pembuatan untuk mencetak dengan mencairkan serbuk lapisan demi lapisan menggunakan pancaran elektron, bukannya laser. Untuk penyinaran pancaran elektron bertenaga tinggi yang stabil, ia dilakukan dalam vakum. Dalam EB-PBF, lapisan serbuk dipanaskan terlebih dahulu pada suhu tinggi (1000 hingga 1400°C untuk tungsten) semasa pencetakan, dan pancaran elektron diimbas pada kelajuan tinggi untuk menyinter serbuk separa dan sementara bagi menyekat tolakan antara zarah semasa pengecasan.
Berbanding dengan LB-PBF, bahagian yang dicetak oleh EB-PBF mempunyai tekanan haba yang lebih rendah. Dengan menggerakkan pancaran elektron dengan pantas merentasi keseluruhan lapisan serbuk, kawalan haba setempat adalah mungkin, dan kawalan mikrostruktur boleh menjadi lebih mudah. Oleh itu, ia berfaedah untuk menstabilkan mikrostruktur dan mengawal retakan. Walau bagaimanapun, dalam kes bahan dengan takat lebur ultra tinggi seperti tungsten, reka bentuk tahan haba yang memberikan ketahanan untuk persekitaran suhu tinggi melebihi 1000°C dan pertimbangan pengimbasan pancaran untuk mengelakkan retakan haba semasa pencetakan adalah kritikal. Ia memerlukan pencetak EB-PBF yang direka bentuk dan dioptimumkan dengan betul untuk mencetak bahan-bahan ini tanpa retakan.
Untuk isu-isu ini, pencetak 3D logam pancaran elektron JEOL telah mencapai pencetakan bahagian tungsten tulen dengan menggabungkan reka bentuk tahan haba unik yang boleh menahan persekitaran suhu tinggi dan kawalan imbasan pancaran untuk mengelakkan retakan haba tungsten. Di samping itu, hanya JEOL Ltd. yang berjaya mencetak bahagian tungsten yang besar tanpa sebarang retakan pada masa ini.
5. kesimpulan
Tungsten merupakan bahan utama dalam bidang seperti reaktor pelakuran nuklear, aeroangkasa, serta perkhidmatan perubatan. Walau bagaimanapun, Tungsten sukar untuk mengeluarkan bahagian daripadanya melalui proses konvensional. Pembuatan tambahan melalui percetakan 3D merupakan satu kejayaan untuk kekangan ini, yang meluaskan tahap kebebasan reka bentuk dengan ketara.
Sebaliknya, isu LB-PBF adalah kekurangan pemadatan akibat retakan yang disebabkan oleh penyejukan pantas. Untuk ini, EB-PBF (kaedah gabungan lapisan serbuk pancaran elektron) membolehkan pencetakan yang sangat padat tanpa retakan dengan melonggarkan kecerunan suhu melalui proses panas. Pencetak 3D logam pancaran elektron "JAM-5200EBM" JEOL merupakan calon utama untuk aplikasi praktikal fabrikasi tungsten.
Pada masa hadapan, pemilihan proses yang sesuai untuk kegunaan dan kemajuan teknologi yang menjamin kualiti akan mempercepatkan lagi penyebaran percetakan 3D tungsten.
Produk Berkaitan
JAM-5200EBM Mesin AM Logam Rasuk Elektron
Kami telah membangunkan "JAM-5200EBM", pencetak 3D logam gabungan serbuk rasuk elektron (EB-PBF), dengan menggunakan teknologi rasuk elektron yang telah kami tanam dalam mikroskop elektron dan sistem litografi rasuk elektron untuk pengeluaran semikonduktor.
Kaedah gabungan katil serbuk boleh menghasilkan acuan dengan ketumpatan dan kekuatan yang lebih tinggi berbanding kaedah pencetak 3D logam lain, dan boleh membentuk bentuk kompleks dengan ketepatan tinggi. JAM-5200EBM tidak memerlukan pengenalan gas lengai semasa pengacuan, dilengkapi dengan katod jangka hayat yang panjang, dan menggunakan teknologi pembetulan rasuk automatik definisi tinggi untuk memastikan pengeluaran yang boleh dihasilkan semula. JAM-5200EBM mampu membentuk logam takat lebur tinggi dan tembaga tulen, yang sukar dibentuk dengan pencetak laser.
6. Rujukan
Li, H., Shen, Y., Wu, X., Wang, D., & Yang, Y. (2024). Kemajuan dalam Gabungan Lapisan Serbuk Laser bagi Tungsten, Aloi Tungsten dan Komposit Berasaskan Tungsten. Micromachines, 15(8), 966.
https://doi.org/10.3390/mi15080966
Howard, L., Parker, GD, & Yu, X.-Y. (2024). Kemajuan dan Cabaran Pembuatan Aditif Tungsten dan Aloi sebagai Bahan Berhadapan Plasma. Materials, 17(9), 2104.
https://doi.org/10.3390/ma17092104
JEOL Ltd.
Sejak penubuhannya pada tahun 1949, JEOL telah komited terhadap pembangunan instrumen saintifik dan metrologi, peralatan perindustrian dan perubatan yang canggih.
Hari ini, banyak produk kami digunakan di seluruh dunia dan kami sangat dihormati sebagai sebuah syarikat yang benar-benar global.
Bertujuan untuk menjadi 'syarikat khusus terkemuka yang menyokong sains dan teknologi di seluruh dunia', kami akan terus bertindak balas dengan tepat terhadap keperluan pelanggan kami yang semakin canggih dan pelbagai.