電子束熔化（EBM）金屬3D打�,。涸���,、優(yōu)缺點(diǎn)、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(diǎn)，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(shí)熔化多個(gè)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(kù)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(gè)家電子束融化制造商進(jìn)入了 EB PBF 機(jī)器市場(chǎng),，為行業(yè)注入了‘新鮮的血液’,。越來越多的人們意識(shí)到了電子束融化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其在某些領(lǐng)域比 LPBF 具有優(yōu)勢(shì),，例如在高溫下加工材料,，這會(huì)推動(dòng)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(guó)公司,，都爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng),。雖然,，這并不是一個(gè)飛速增長(zhǎng)，但這種增長(zhǎng)也清楚地表明了人們對(duì)該技術(shù)的高度興趣,。Ampower 預(yù)計(jì),，未來幾年 EBM 競(jìng)爭(zhēng)格局的整體增長(zhǎng)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(chǎng)中的份額,。

專門為材料開發(fā)而設(shè)計(jì)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(shí)創(chuàng)造和共享方法，這是幫助EBM市場(chǎng)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(dú)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(guó)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(diǎn)項(xiàng)目安裝的兩臺(tái)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(shí)EBM，包括它的工作原理,、優(yōu)缺點(diǎn),、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(gòu),。與其最激烈的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(dú)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?yàn)殡娮邮�的能量比�?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(dòng)，甚至可以拆分以同時(shí)覆蓋多個(gè)區(qū)域,，光束可以在開始實(shí)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(huì)在零件周圍“結(jié)塊”,，理論上消除了對(duì)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(tái),。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(jì)的機(jī)器上,。

EBM 的一個(gè)主要好處是能夠?qū)�單�?dú)的部件“堆疊”在彼此的頂部。隨著機(jī)器停機(jī)時(shí)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(shí)間縮短了 58%,，在一次構(gòu)建中成功構(gòu)建了 54 個(gè)杯子,，而在激光打印中，一次只能制造12 個(gè),。


△部件堆疊打印,。來源：Amplify Additive

然而，這種能力也有缺點(diǎn),。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(jì)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(diǎn)和缺點(diǎn)


△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(shì)：
●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(diǎn)：
●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?yàn)殡娮邮�的尺寸更大，也因�(yàn)樵?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(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)了更多的設(shè)計(jì)自由度,，同時(shí)滿足了醫(yī)療行業(yè)對(duì)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(jì)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?zhàn)甸g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(gè)主要市場(chǎng)各種私人、商用和軍用飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)包括 LEAP,、GEnx、GE90 和 GE90,。負(fù)責(zé)這項(xiàng)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(shì)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(shì)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(zhǎng) 400%，同時(shí)受益于 3D 打印提供的設(shè)計(jì)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(gè)構(gòu)建外殼中堆疊零件是 EBM 的另一個(gè)獨(dú)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(dòng)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(guó)工業(yè)巨頭通用電氣在 2016 年收購(gòu)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(tái) EBM 機(jī)器：

●Arcam EBM Q10plus

一種針對(duì)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(jí)和23級(jí)鈦、Ti 2級(jí),、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?yàn)樗�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,�,？杉庸も乀i6Al4V 5級(jí)、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(dòng)力,，與以前的 Arcam 機(jī)器相比，每個(gè)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(jì),。

JEOL


△JEOL 將“實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好和可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)”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(yàn)進(jìn)入了增材制造領(lǐng)域。在 RAPID 2022 期間,，推出了其第一臺(tái)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(zhǎng)壽命的陰極,，可以運(yùn)行超過 1,500 小時(shí),，比市場(chǎng)上任何其他機(jī)器都長(zhǎng)。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(shí),，該機(jī)器還具有自動(dòng)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(guó)哈德斯菲爾德運(yùn)營(yíng)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(gè)主要痛點(diǎn)：

在傳統(tǒng)的 EBM 中,，熔池周圍的粉末顆粒會(huì)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(duì)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”工藝，因�(yàn)椴辉傩枰獙?duì)整個(gè)粉末層進(jìn)行預(yù)燒結(jié),。該公司堅(jiān)稱,，它已經(jīng)消除了粉末結(jié)塊問題，同時(shí)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(huì)徹底改變行業(yè)。

到目前為止,，Wayland Additive 提供了一個(gè)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(jiǎn)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(chǎng)的另一家瑞典競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場(chǎng)采用,，需要對(duì)金屬3D打印進(jìn)行開放,，以確保更快的發(fā)展和成長(zhǎng)。該公司計(jì)劃在足夠多的人注冊(cè)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(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一種方式銷售的，而不是作為獨(dú)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(guó)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(tái)機(jī)器專為材料研發(fā)而設(shè)計(jì)。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(duì)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(shí)現(xiàn)粉床溫度在1250℃精確可控，實(shí)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(diǎn)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(tái)可生產(chǎn)機(jī)器的中國(guó)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(jì),，電子束功率3 kW,，最大成形尺寸為 150 x 150 x 180 mm（可升級(jí)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(shí)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(cāng)（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(guó)金屬加工專家 Pro-beam 于 2021 年以兩臺(tái)機(jī)器進(jìn)入 AM EBM 市場(chǎng),，當(dāng)時(shí)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(yàn)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(dòng),。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(shí)間并消除了對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求，這也是因?yàn)楠?dú)特的曝光策略,。PB EBM 30S 應(yīng)該作為一個(gè)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(chǎng)監(jiān)控功能輕松實(shí)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(zhǎng)達(dá) 1,000 小時(shí),。

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(duì)整個(gè)增材制造的興趣,，電子束熔化肯定會(huì)迎來激動(dòng)人心的時(shí)刻然而。然而,，想要在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新,，目前還需要克服很多的難題，只有時(shí)間才能證明 EBM 是否會(huì)將自己定位為未來的主導(dǎo)制造工藝,。

很全面