電子束熔化（EBM）金屬3D打印：原理,、優(yōu)缺點,、應用領域、制造商及展望

電子束熔化 (EBM)或電子束粉末床熔合(EB PBF)3D打印技術是使用高能電子束將銅和鈦等導電金屬粉末逐層熔化在一起,。由此產生的部件具有高密度和高機械強度的特點,，可用于從渦輪葉片到髖關節(jié)植入物的所有領域。


△電子束同時熔化多個區(qū)域的純銅粉（來源：GH Induction）

自 20 世紀末,，增材制造技術被引入以來,，電子束一直處于次要地位，相比之下,，激光粉末床融合 (LPBF)不斷發(fā)展,、逐漸成熟并走向商業(yè)化。但是現在電子束熔化因其強大的能力也逐漸受到關注,。增材制造智庫和咨詢公司 Ampower 的管理合伙人 Maximilian Munsch 說：“在過去的 2 到 3 年里,，超過6個家電子束融化制造商進入了 EB PBF 機器市場，為行業(yè)注入了‘新鮮的血液’,。越來越多的人們意識到了電子束融化技術的優(yōu)勢,，其在某些領域比 LPBF 具有優(yōu)勢，例如在高溫下加工材料,，這會推動新器,、新材料和新工藝的研發(fā)工作�,！�

近年來,，進入 EBM 行業(yè)的參與者數量空前，從小型創(chuàng)業(yè)公司到跨國公司,，都爭先恐后地分一杯羹,。作為研究電子束融化技術近20年的老企業(yè)，Arcam AB（現為 GE Additive）不得不與不到十年內出現的七家新公司競爭,。雖然,，這并不是一個飛速增長，但這種增長也清楚地表明了人們對該技術的高度興趣,。Ampower 預計,，未來幾年 EBM 競爭格局的整體增長將使新應用在經濟和技術上可行,，并增加 EMB 系統(tǒng)在粉末床聚變市場中的份額。

專門為材料開發(fā)而設計的開源系統(tǒng)和機器也越來越多,。當前的行業(yè)采用了更開放的知識創(chuàng)造和共享方法,，這是幫助EBM市場盡快成熟并從由此產生的商機中共同受益的戰(zhàn)略。例如,，Freemelt 獨家提供材料開發(fā)系統(tǒng),，而 Wayland Additive、QBeam 和西安賽隆增材提供定制的開放式粉末研發(fā)機器,。

如果我們要選擇一家特別有可能徹底顛覆當前技術格局的公司,，那就是 Wayland Additive 及其專有的 NeuBeam 技術。這家英國初創(chuàng)公司使用無需預燒結的電荷中和技術,，它能夠大大加快打印過程并消除粉末結塊,。如果目前作為試點項目安裝的兩臺機器表現突出，那么EBM的能力和局限性將需要完全重新定義,。

接下來南極熊將帶您重新認識EBM,，包括它的工作原理、優(yōu)缺點,、應用領域,、制造商以及技術的未來。

工作原理


△EBM 系統(tǒng)和流程周期示意圖（來源：FAU）

電子束粉末床熔合技術最初是在瑞典哥德堡大學發(fā)明的,，并由Arcam AB 進行商業(yè)化開發(fā),，該公司在 2013 年之前一直是 EBM 機器的唯一供應商。Arcam 于 2016 年被 GE Additive 收購,。與其最激烈的競爭對手 LPBF 一樣,，該工藝被歸類為金屬粉末床熔合，但與LPBF不同的是,，EBM是使用電子束而不是激光將粉末層熔化在一起,。

與 LPBF 相比，它具有一些獨特的工藝特性,。例如,，EBM 不是在惰性氣體環(huán)境中進行，而是在真空中進行以防止光束散射,，并且可以歸類為“熱”工藝,，其中構建室溫度可以加熱到 1,000 °C，這是因為電子束的能量比標準 PBF 激光器強大得多,。由于它使用電磁光束控制,，還能夠以更高的速度移動，甚至可以拆分以同時覆蓋多個區(qū)域，光束可以在開始實際熔化過程之前“預熱”每一層,。

在打印過程中,，周圍的粉末會在零件周圍“結塊”，理論上消除了對支撐結構的需求,，這導致人們普遍認為 EBM 根本不需要支持,。然而，由于高變形應力,，仍然需要一些支撐來從熔融材料中散熱或將部件連接到構建平臺,。目前的材料選擇僅限于導電金屬和合金，使用最多的的是鈦,、鋁,、銅,、鎳和鋼,。研究人員也在開發(fā)更多得材料，擴大粉末選擇的策略也體現在市面上有許多專為材料研發(fā)而設計的機器上,。

EBM 的一個主要好處是能夠將單獨的部件“堆疊”在彼此的頂部,。隨著機器停機時間和后處理的減少，生產力可以大大提高,。最成功的 EBM 應用之一是制造用于髖關節(jié)置換的髖臼鈦杯,。Amplify Additive成功地將傳統(tǒng)制造的上市時間縮短了 58%，在一次構建中成功構建了 54 個杯子,，而在激光打印中,，一次只能制造12 個。


△部件堆疊打印,。來源：Amplify Additive

然而,，這種能力也有缺點。在拿下部件之前,，必須讓完成的構建完全冷卻,。由于粉末“結塊”，零件的內部通道和其他空腔將難以清理,，與激光 PBF 相比,，這限制了設計自由度。通過爆破去除的未熔化粉末的可回收率在 95% 至 98% 之間,。

電子束粉末床融合的優(yōu)點和缺點


△由 EBM 制造的汽車零件,，打印種的典型支撐結構

EBM的一些優(yōu)勢：
●能夠處理高溫、易開裂和反光合金
●零件密度高
●均勻的微觀結構和優(yōu)越的機械性能
●將熱處理需求降至最低
●未使用的粉末 95-98% 可回收
●使用相應得應用程序,，打印速度比 LPBF 更快
●與 LPBF 相比,，所需的支持更少

然而，EBM也存在一些缺點：
●有限的打印體積（最大600mm*600mm幅面,，700mm高）
●有限的材料選擇
●昂貴的機器和材料
●后處理前表面光潔度差
●內部通道或空腔需要易于接近,，否則在后處理過程中無法去除燒結粉末,。
●與 SLM 相比，細節(jié)分辨率較低,。這是因為電子束的尺寸更大,，也因為在 EBM 中通常使用更粗的粉末和更厚的層
●拆卸前需要冷卻部件
●產生電子束的陰極需要定期更換
●真空需要很長時間才能建立

電子束熔化應用領域


△準備加工的醫(yī)用植入物（來源：FMI International）

醫(yī)學領域
隨著骨科植入物等醫(yī)療器械的復雜性不斷增加，EBM 實現了更多的設計自由度,，同時滿足了醫(yī)療行業(yè)對卓越機械性能的要求,。除了髖臼杯外，其他大型骨科植入物,，如股骨膝關節(jié)組件,、脛骨托、膝關節(jié)和脊柱籠,，都是在 EBM 機器上制造的,。例如，4WEB Medical 制造了一系列脊柱桁架植入物,，這些植入物基于多種設計集成并根據機械生物學原理開展工作：細胞和組織的機械特性有助于發(fā)育,、細胞分化、增殖和愈合


△具有桁架結構的鈦椎間融合裝置可優(yōu)化患者治療效果（來源：4WEB Medical）

航空航天領域
除了醫(yī)療植入物,，航空航天業(yè)是電子束熔化的另一個主要市場各種私人,、商用和軍用飛機的噴氣發(fā)動機渦輪葉片均可以采用該技術大規(guī)模生產。配備這些 3D 打印葉片的噴氣發(fā)動機包括 LEAP,、GEnx,、GE90 和 GE90。負責這項工程的核心公司之一是來自意大利的 Avio Aero,，他們與 Arcam 和 GE 合作,。

葉片成功的秘訣在于 EBM 能夠處理高溫和易開裂的材料，如鋁化鈦 (TiAl),，這種材料比通常制成葉片的鎳合金輕 50%,。一套完整的 3D 打印渦輪機可以減輕多達 20% 的發(fā)動機重量，這相當于航空業(yè)的一次飛躍,。此外,，強大的電子束可以熔化比其最大競爭對手激光粉末床熔合更厚的層，使其成為該應用的更快,、更高效的選擇,。


△在 Arcam EBM 機器上制造的成品 Avio Aero 渦輪葉片。

工業(yè)領域
與 LPBF 相比,，EBM 的優(yōu)勢之一是它能夠處理純金屬,，沒有孔隙或氧化。GH Induction 是一家感應加熱用電解銅管制造商，利用這一優(yōu)勢生產純度為 99.99% 的銅線圈,。這些以 3D Inductors 產品線命名的線圈的使用壽命比傳統(tǒng)同類產品長 400%,，同時受益于 3D 打印提供的設計自由度。據該公司稱,，它擁有最大的 3D 打印銅線圈的記錄,，該線圈建立在定制的 Arcam 系統(tǒng)上，z 高度為 350 毫米,。在一個構建外殼中堆疊零件是 EBM 的另一個獨特工藝特性,，有助于 GH Induction 進一步優(yōu)化制造生產力。GH Induction表示它可以制造任何線圈幾何形狀,，甚至可以將增材制造和傳統(tǒng)零件結合起來,，以獲得更具成本效益的治療解決方案。用例包括用于曲軸,、輪轂和主軸,、傳動系統(tǒng)、回轉軸承等熱處理的線圈,。


△最大的 3D 打印銅線圈,，建立在定制的 Arcam 系統(tǒng)上（來源：GH Induction）

電子束熔化 3D 打印機

GE Additive (Arcam)


△Arcam Spectra L，GE 最大的 EBM 機器

美國工業(yè)巨頭通用電氣在 2016 年收購了 Arcam AB,，并在隨后幾年推出了兩款新機。目前,，GE 在其網站上列出了三臺 EBM 機器：

●Arcam EBM Q10plus

一種針對醫(yī)療植入物生產進行優(yōu)化的小型機器,，可提供改進的表面光潔度和高分辨率。它具有 3 kW 的電子束功率和高達 200 x 200 x 200 mm 的構建體積,。該機器能夠加工Ti6Al4V 5級和23級鈦,、Ti 2級、鈷鉻合金和純銅,。

●Arcam EBM Spectra H

Spectra H 適用于高溫和易開裂的合金,，因為它可以在超過 1,000 °C 的溫度下生產零件。它具有 6 kW 的電子束和 Ø 250 x 430 mm 的構建體積,�,？杉庸も乀i6Al4V 5級、TiAl,、鎳合金718,、高合金工具鋼。

●Arcam EBM Spectra L

Spectra L 在 Ø 350 x 430 mm 處提供最大的構建體積,，并通過先進的控制為 4.5 kW 的電子束提供動力,，與以前的 Arcam 機器相比，每個零件的成本降低了 20%，該機器專為提高生產力和制造大件零件而設計,。

JEOL


△JEOL 將“實現生態(tài)友好和可持續(xù)發(fā)展的社會”列為該機器的主要功能之一（來源：JEOL）

JEOL 憑借 70 多年的電子光學經驗進入了增材制造領域,。在 RAPID 2022 期間，推出了其第一臺電子束機 JAM – 5200EBM,。此款設備具有無氦真空技術,，能夠產生長壽命的陰極，可以運行超過 1,500 小時,，比市場上任何其他機器都長,。JAM – 5200 EBM 的最大光束功率為 6 kW，構建體積為 Ø 250 x 400 mm,，可以加工鈦,、鎳合金和純銅等材料。利用其電子束光刻部門的專業(yè)知識,，該機器還具有自動電子束校正功能,，可縮小光斑形狀，提高工藝穩(wěn)定性和準確性,。


Wayland Additive


△來源：Wayland Additive

Wayland Additive這是一家在英國哈德斯菲爾德運營的初創(chuàng)公司,。通過他們專有的 NeuBeam 技術，他們解決了傳統(tǒng) EB PBF 的幾個主要痛點：

在傳統(tǒng)的 EBM 中,，熔池周圍的粉末顆粒會產生靜電并最終相互排斥,，從而產生阻礙激光并影響工藝穩(wěn)定性的“煙霧事件”。解決方案是對粉末進行預燒結,，使其具有導電性,，并將電荷從電子束中轉移出去。另一方面,，Wayland 的 NeuBeam 技術使用離子在源頭中和這些電荷,。這將 EBM 轉變?yōu)椤盁岵考�”而不是“熱床”工藝，因為不再需要對整個粉末層進行預燒結,。該公司堅稱,，它已經消除了粉末結塊問題，同時仍然能夠制造無支撐和應力消除部件,，一旦初創(chuàng)公司成功擴大生產規(guī)模,，這一成就可能會徹底改變行業(yè)。

到目前為止,，Wayland Additive 提供了一個打印系統(tǒng),，Calibur3。該機器高 3 米,，具有 300 x 300 x 450 毫米的構建體積和 5 千瓦的電子束,。增材制造中使用的所有常見金屬和合金都可以使用 NeuBeam 進行加工,，并且開放系統(tǒng)促進了新工藝參數的開發(fā)。他們還提供了過程監(jiān)控解決方案,，如結構光掃描,、電子成像和高速紅外相機，將大大有助于簡化材料開發(fā)工作,。

Freemelt


△開源打印機 Freemelt ONE（來源：Freemelt）

Freemelt 成立于 2017 年,，是 EBM 市場的另一家瑞典競爭者，其中一位創(chuàng)始人曾在 Arcam AB 工作過,。這家公司致力于開放技術,，即要實現大規(guī)模市場采用，需要對金屬3D打印進行開放,，以確保更快的發(fā)展和成長,。該公司計劃在足夠多的人注冊并加入 Open Melt 社區(qū)后共享其系統(tǒng)用戶界面、構建處理器和系統(tǒng)界面,。他們唯一的機器 Freemelt ONE 是作為實現這些目標的一種方式銷售的,，而不是作為獨立的生產機器。

Freemelt ONE 具有高達 6 kW 的可變光束功率,、Ø 100 x 100 mm 的構建體積,，并且由于它是一款研發(fā)機器，可適用于任何導電金屬,。

中國天津清研智束科技QBEAM
天津清研智束成立于 2015 年,，已經提供了3系列5款設備，但專注于不同領域的應用,。

●E系列：Qbeam E200

△Qbeam E200,，新一代科研型機型EBSM®裝備（來源：QBEAM）

與 Freemelt 的 ONE 一樣，這臺機器專為材料研發(fā)而設計,。它具有高達 200 x 200 x 240 毫米的構建尺寸和 3 千瓦的光束。該設備可以加工任何導電材料,，包括鈦合金,、高強鈦合金、難焊高溫合金,、難熔金屬,、金屬基復合材料、高溫鈦合金,、高強鋁合金,、金屬間化合物、高熵合金等材料,。

●S系列：Qbeam S200,、Qbeam S350,、Qbeam S600

Qbeam S200 提高了制造精度和效率。規(guī)格與其材料開發(fā)對應的規(guī)格相似,，構建尺寸200 x 200 x 230 毫米,。適用于骨科醫(yī)療領域 及航天航空領域的小尺寸鈦合金結構件的批量化生產。在醫(yī)療領域,，該設備可打印髖臼杯,、椎間融合器、膝關節(jié),、肩關節(jié)等骨 科移植物,，充分滿足12h快速應急打印需求。在航天航空領域,，Qbeam S200也可用于打印連接件類,、支架類等小尺寸鈦合金構件。


Qbeam S350 面向大尺寸鈦合金零件打印需求,，激光功率為 6 kW,，可加工鈦合金、高溫鈦合金,、高強鈦合金,、高強鋁合金。


Qbeam S600構建尺寸600 x600 x 700毫米,，滿足航天航空大尺寸復雜結構件制造需求,。


●G系列：Qbeam G350

Qbeam G350 采用自主研發(fā)的雙槍同幅技術，可同步進行預熱,、填充和輪廓掃描,，成形效率提高一倍以上，在確保更大打印 幅面的基礎上,，實現粉床溫度在1250℃精確可控,，實現低應力打印。適用于形狀復雜,、裂紋敏感性材料零部件的加工制造,，如大尺寸薄壁零部件及金屬間化合物、難焊高溫合金,、難熔金屬,、高熵合金等材料。

西安賽隆增材

△電子束3D打印的純銅零件

△電子束3D打印的純鉬點陣結構

另一家開發(fā)了 40 多種不同金屬粉末以及兩臺可生產機器的中國制造商是西安賽隆增材：

●Sailong-Y150

△西安賽隆增材Y150型EBM 3D打印機
Sailong-Y150 為骨科植入物穩(wěn)定生產而設計,，電子束功率3 kW,，最大成形尺寸為 150 x 150 x 180 mm（可升級為170×170×180mm），支持常用醫(yī)用金屬零件（鈦合金,、鉭,、鋯合金等）的3D打印成形,，打印過程無人值守。設備同時兼顧科研的需求,，成形工藝參數可靈活調節(jié),，支持定制更小的成形倉（成形尺寸：100 x 100 x 100mm，方便快速開發(fā)新材料成形工藝,，可成形鈦合金,、難熔金屬、金屬間化合物,、高熵合金,、高溫合金、不銹鋼,、鋯合金,、硬質合金等材料。

●Sailong-H400

△賽隆增材H400 EBM 3D打印機

Sailong H400型設備,，專注大尺寸零件穩(wěn)定生產,，搭配6kW電子槍，3D打印效率更高,，成本更低,，最大成形尺寸為400×400×400mm，可成形鈦合金,、純銅,、不銹鋼等材料。

Pro-beam


△Pro-Beam 的電子束粉末床熔合機 EBM 30S（來源：Pro-Beam）

德國金屬加工專家 Pro-beam 于 2021 年以兩臺機器進入 AM EBM 市場,，當時它推出了粉末床融合 PB EBM 30S 以及直接能量沉積系統(tǒng) PB WEBAM 100,。在擁有近 50 年的電子束和激光加工經驗從焊接、鉆孔和硬化之后,，該公司終于涉足增材制造領域,，并在 EBM領域引起一些轟動。到目前為止,，還沒有 PB EBM 30S 的技術信息,，但該公司聲稱，與其他制造商相比,，改進的工藝顯著縮短了生產時間并消除了對支撐結構的需求，這也是因為獨特的曝光策略,。PB EBM 30S 應該作為一個開放式系統(tǒng)推出,，可以查看和調整工藝參數和施工數據，并通過現場監(jiān)控功能輕松實現,。

Mitsubishi Electric (TADA)


△來源：三菱電機

TADA 是近年來第二家將 EBM 機器商業(yè)化的日本公司,。三菱電機的子公司多田電機開發(fā)了 EZ300,。到目前為止，關于它的信息很少,，但它的最大建模尺寸為 220 x 220 x 300 mm,，電子束輸出為 6 kW，據說陰極壽命長達 1,000 小時,。

電子束粉末床融合的未來


△采用 Wayland Additive NeuBeam 技術制造的葉輪（來源：Wayland Additive）

南極熊認為,，電子束熔化技術的未來是光明的。受益于人們當前對整個增材制造的興趣,，電子束熔化肯定會迎來激動人心的時刻然而,。然而，想要在實際生產中實現技術創(chuàng)新,，目前還需要克服很多的難題,，只有時間才能證明 EBM 是否會將自己定位為未來的主導制造工藝。

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