電子束熔化（EBM）金屬3D打�,。涸���,、優(yōu)缺點,、應(yīng)用領(lǐng)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(shù)是使用高能電子束將銅和鈦等導(dǎo)電金屬粉末逐層熔化在一起,。由此產(chǎn)生的部件具有高密度和高機(jī)械強(qiáng)度的特點,，可用于從渦輪葉片到髖關(guān)節(jié)植入物的所有領(lǐng)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(jì)末，增材制造技術(shù)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(xiàn)在電子束熔化因其強(qiáng)大的能力也逐漸受到關(guān)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(jìn)入了 EB PBF 機(jī)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(shù)的優(yōu)勢,，其在某些領(lǐng)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(jìn)入 EBM 行業(yè)的參與者數(shù)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(shù)近20年的老企業(yè),，Arcam AB（現(xiàn)為 GE Additive）不得不與不到十年內(nèi)出現(xiàn)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(shù)的高度興趣,。Ampower 預(yù)計，未來幾年 EBM 競爭格局的整體增長將使新應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)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(shè)計的開源系統(tǒng)和機(jī)器也越來越多。當(dāng)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(chǎn)生的商機(jī)中共同受益的戰(zhàn)略,。例如，F(xiàn)reemelt 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(jī)器。

如果我們要選擇一家特別有可能徹底顛覆當(dāng)前技術(shù)格局的公司,，那就是 Wayland Additive 及其專有的 NeuBeam 技術(shù),。這家英國初創(chuàng)公司使用無需預(yù)燒結(jié)的電荷中和技術(shù)，它能夠大大加快打印過程并消除粉末結(jié)塊,。如果目前作為試點項目安裝的兩臺機(jī)器表現(xiàn)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(rèn)識EBM,，包括它的工作原理,、優(yōu)缺點、應(yīng)用領(lǐng)域,、制造商以及技術(shù)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(shù)最初是在瑞典哥德堡大學(xué)發(fā)明的，并由Arcam AB 進(jìn)行商業(yè)化開發(fā),，該公司在 2013 年之前一直是 EBM 機(jī)器的唯一供應(yīng)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(jìn)行,，而是在真空中進(jìn)行以防止光束散射，并且可以歸類為“熱”工藝,，其中構(gòu)建室溫度可以加熱到 1,000 °C,，這是因為電子束的能量比標(biāo)準(zhǔn) PBF 激光器強(qiáng)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(yù)熱”每一層,。

在打印過程中,，周圍的粉末會在零件周圍“結(jié)塊”，理論上消除了對支撐結(jié)構(gòu)的需求,，這導(dǎo)致人們普遍認(rèn)為 EBM 根本不需要支持,。然而，由于高變形應(yīng)力,，仍然需要一些支撐來從熔融材料中散熱或?qū)⒉考�連接到構(gòu)建平臺,。目前的材料選擇僅限于導(dǎo)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(kuò)大粉末選擇的策略也體現(xiàn)在市面上有許多專為材料研發(fā)而設(shè)計的機(jī)器上。

EBM 的一個主要好處是能夠?qū)�單獨的部件“堆疊”在彼此的頂部,。隨著機(jī)器停機(jī)時間和后處理的減少,，生產(chǎn)力可以大大提高。最成功的 EBM 應(yīng)用之一是制造用于髖關(guān)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(gòu)建中成功構(gòu)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(gòu)建完全冷卻,。由于粉末“結(jié)塊”,，零件的內(nèi)部通道和其他空腔將難以清理,，與激光 PBF 相比，這限制了設(shè)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)和優(yōu)越的機(jī)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(yīng)得應(yīng)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(jī)器和材料
●后處理前表面光潔度差
●內(nèi)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(jié)粉末,。
●與 SLM 相比,，細(xì)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(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域


△準(zhǔn)備加工的醫(yī)用植入物（來源：FMI International）

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
隨著骨科植入物等醫(yī)療器械的復(fù)雜性不斷增加,，EBM 實現(xiàn)了更多的設(shè)計自由度，同時滿足了醫(yī)療行業(yè)對卓越機(jī)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(guān)節(jié)組件,、脛骨托,、膝關(guān)節(jié)和脊柱籠，都是在 EBM 機(jī)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(shè)計集成并根據(jù)機(jī)械生物學(xué)原理開展工作：細(xì)胞和組織的機(jī)械特性有助于發(fā)育,、細(xì)胞分化,、增殖和愈合


△具有桁架結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(jī)的噴氣發(fā)動機(jī)渦輪葉片均可以采用該技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn),。配備這些 3D 打印葉片的噴氣發(fā)動機(jī)包括 LEAP、GEnx,、GE90 和 GE90,。負(fù)責(zé)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(jī)可以減輕多達(dá) 20% 的發(fā)動機(jī)重量,，這相當(dāng)于航空業(yè)的一次飛躍。此外,，強(qiáng)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(yīng)用的更快、更高效的選擇,。


△在 Arcam EBM 機(jī)器上制造的成品 Avio Aero 渦輪葉片,。

工業(yè)領(lǐng)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(yīng)加熱用電解銅管制造商，利用這一優(yōu)勢生產(chǎn)純度為 99.99% 的銅線圈,。這些以 3D Inductors 產(chǎn)品線命名的線圈的使用壽命比傳統(tǒng)同類產(chǎn)品長 400%,，同時受益于 3D 打印提供的設(shè)計自由度。據(jù)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(gòu)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(jìn)一步優(yōu)化制造生產(chǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(jī)

GE Additive (Arcam)


△Arcam Spectra L，GE 最大的 EBM 機(jī)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(jī),。目前，GE 在其網(wǎng)站上列出了三臺 EBM 機(jī)器：

●Arcam EBM Q10plus

一種針對醫(yī)療植入物生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化的小型機(jī)器,，可提供改進(jìn)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(dá) 200 x 200 x 200 mm 的構(gòu)建體積。該機(jī)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(chǎn)零件,。它具有 6 kW 的電子束和 Ø 250 x 430 mm 的構(gòu)建體積,。可加工鈦Ti6Al4V 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(gòu)建體積,，并通過先進(jìn)的控制為 4.5 kW 的電子束提供動力，與以前的 Arcam 機(jī)器相比,，每個零件的成本降低了 20%,，該機(jī)器專為提高生產(chǎn)力和制造大件零件而設(shè)計。

JEOL


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

JEOL 憑借 70 多年的電子光學(xué)經(jīng)驗進(jìn)入了增材制造領(lǐng)域,。在 RAPID 2022 期間,，推出了其第一臺電子束機(jī) JAM – 5200EBM。此款設(shè)備具有無氦真空技術(shù),，能夠產(chǎn)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(jī)器都長,。JAM – 5200 EBM 的最大光束功率為 6 kW,，構(gòu)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(jī)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(zhǔn)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(shù),，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(chǎn)生靜電并最終相互排斥,，從而產(chǎn)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(jìn)行預(yù)燒結(jié)，使其具有導(dǎo)電性,，并將電荷從電子束中轉(zhuǎn)移出去,。另一方面，Wayland 的 NeuBeam 技術(shù)使用離子在源頭中和這些電荷,。這將 EBM 轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁岵考�”而不是“熱床”工��,，因為不再需要對整個粉末層進(jìn)行預(yù)燒結(jié)。該公司堅稱，它已經(jīng)消除了粉末結(jié)塊問題,，同時仍然能夠制造無支撐和應(yīng)力消除部件,，一旦初創(chuàng)公司成功擴(kuò)大生產(chǎn)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(jī)器高 3 米，具有 300 x 300 x 450 毫米的構(gòu)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(jìn)行加工,，并且開放系統(tǒng)促進(jìn)了新工藝參數(shù)的開發(fā)。他們還提供了過程監(jiān)控解決方案,，如結(jié)構(gòu)光掃描,、電子成像和高速紅外相機(jī)，將大大有助于簡化材料開發(fā)工作,。

Freemelt


△開源打印機(jī) 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(shù),，即要實現(xiàn)大規(guī)模市場采用，需要對金屬3D打印進(jìn)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(gòu)建處理器和系統(tǒng)界面,。他們唯一的機(jī)器 Freemelt ONE 是作為實現(xiàn)這些目標(biāo)的一種方式銷售的,，而不是作為獨立的生產(chǎn)機(jī)器。

Freemelt ONE 具有高達(dá) 6 kW 的可變光束功率,、Ø 100 x 100 mm 的構(gòu)建體積,，并且由于它是一款研發(fā)機(jī)器，可適用于任何導(dǎo)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(jīng)提供了3系列5款設(shè)備，但專注于不同領(lǐng)域的應(yīng)用,。

●E系列：Qbeam E200

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

與 Freemelt 的 ONE 一樣，這臺機(jī)器專為材料研發(fā)而設(shè)計,。它具有高達(dá) 200 x 200 x 240 毫米的構(gòu)建尺寸和 3 千瓦的光束,。該設(shè)備可以加工任何導(dǎo)電材料，包括鈦合金、高強(qiáng)鈦合金,、難焊高溫合金,、難熔金屬、金屬基復(fù)合材料,、高溫鈦合金,、高強(qiáng)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(yīng)的規(guī)格相似，構(gòu)建尺寸200 x 200 x 230 毫米,。適用于骨科醫(yī)療領(lǐng)域 及航天航空領(lǐng)域的小尺寸鈦合金結(jié)構(gòu)件的批量化生產(chǎn),。在醫(yī)療領(lǐng)域，該設(shè)備可打印髖臼杯,、椎間融合器,、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等骨 科移植物,，充分滿足12h快速應(yīng)急打印需求,。在航天航空領(lǐng)域，Qbeam S200也可用于打印連接件類,、支架類等小尺寸鈦合金構(gòu)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(qiáng)鈦合金,、高強(qiáng)鋁合金,。


Qbeam S600構(gòu)建尺寸600 x600 x 700毫米，滿足航天航空大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù),，可同步進(jìn)行預(yù)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(chǔ)上，實現(xiàn)粉床溫度在1250℃精確可控,，實現(xiàn)低應(yīng)力打印,。適用于形狀復(fù)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(jié)構(gòu)

另一家開發(fā)了 40 多種不同金屬粉末以及兩臺可生產(chǎn)機(jī)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(jī)
Sailong-Y150 為骨科植入物穩(wěn)定生產(chǎn)而設(shè)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(shè)備同時兼顧科研的需求，成形工藝參數(shù)可靈活調(diào)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(zhì)合金等材料。

●Sailong-H400

△賽隆增材H400 EBM 3D打印機(jī)

Sailong H400型設(shè)備,，專注大尺寸零件穩(wěn)定生產(chǎn),，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(jī) EBM 30S（來源：Pro-Beam）

德國金屬加工專家 Pro-beam 于 2021 年以兩臺機(jī)器進(jìn)入 AM EBM 市場,，當(dāng)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(jīng)驗從焊接、鉆孔和硬化之后,，該公司終于涉足增材制造領(lǐng)域,，并在 EBM領(lǐng)域引起一些轟動,。到目前為止，還沒有 PB EBM 30S 的技術(shù)信息,，但該公司聲稱,，與其他制造商相比，改進(jìn)的工藝顯著縮短了生產(chǎn)時間并消除了對支撐結(jié)構(gòu)的需求,，這也是因為獨特的曝光策略,。PB EBM 30S 應(yīng)該作為一個開放式系統(tǒng)推出，可以查看和調(diào)整工藝參數(shù)和施工數(shù)據(jù),，并通過現(xiàn)場監(jiān)控功能輕松實現(xiàn),。

Mitsubishi Electric (TADA)


△來源：三菱電機(jī)

TADA 是近年來第二家將 EBM 機(jī)器商業(yè)化的日本公司。三菱電機(jī)的子公司多田電機(jī)開發(fā)了 EZ300,。到目前為止,，關(guān)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(jù)說陰極壽命長達(dá) 1,000 小時。

電子束粉末床融合的未來


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

南極熊認(rèn)為,，電子束熔化技術(shù)的未來是光明的,。受益于人們當(dāng)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(chǎn)中實現(xiàn)技術(shù)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(dǎo)制造工藝,。

很全面