EBM 電子束熔煉：高能電子束如何大顯神通

今天為你帶來的是EBM技術(shù)。EBM技術(shù)最早由瑞典Arcam公司研發(fā)并取得專利。Arcam成立于1997年，專注于EBM設(shè)備的研發(fā)、制造，目前擁有超過50項(xiàng)相關(guān)專利，在全世界裝機(jī)超過200套。清華大學(xué)在國內(nèi)最先開展EBM裝備研發(fā)，掌握鋪粉、電子束精確掃描、成形控制等關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)了多套樣機(jī)并在多家企事業(yè)單位得到了驗(yàn)證，目前正通過智束科技進(jìn)行商業(yè)化。

EBM原理

電子束熔煉（Electron Beam Melting, EBM）是一種金屬增材制造技術(shù)，最早由瑞典Arcam公司研發(fā)并取得專利。EBM的工作原理與SLM相似，都是將金屬粉末完全熔化后成型。其主要區(qū)別在于SLM技術(shù)是使用激光來熔化金屬粉末，而EBM技術(shù)是使用高能電子束來熔化金屬粉末。

高能電子束熔化金屬粉末

EBM技術(shù)在打印之前，鋪設(shè)好一層粉末后，電子束會(huì)多次地快速掃描粉末層使其預(yù)熱，粉末處于輕微燒結(jié)狀態(tài)而不至于被熔化。這是EBM技術(shù)獨(dú)有的一個(gè)步驟。SLM最多可預(yù)熱溫度300℃，而EBM技術(shù)可采用電子束掃描對每一層金屬粉末進(jìn)行預(yù)熱，使零件在600～1200℃范圍內(nèi)加工成形。下圖是電子束的預(yù)熱過程，由于電子束可以快速跳轉(zhuǎn)，看起來有多條掃描線在加熱粉末床。

EBM的電子束預(yù)熱過程

具體的打印過程為，計(jì)算機(jī)將物體的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一層層截面的2D數(shù)據(jù)并傳輸給打印機(jī)，打印機(jī)在鋪設(shè)好的粉末上方選擇性地向粉末發(fā)射電子束，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，選區(qū)內(nèi)的金屬粉末加熱到完全熔化后成型，加工成當(dāng)前層。然后活塞使工作臺降低一個(gè)單位的高度，新的一層粉末鋪撒在已燒結(jié)的當(dāng)前層之上，設(shè)備調(diào)入新一層截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，與前一層截面粘結(jié)，此過程逐層循環(huán)直至整個(gè)物體成型。

EBM設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（圖片來源：華南理工）

EBM對零件的制造過程需要在高真空環(huán)境中進(jìn)行，一方面是防止電子散射，另一方面是某些金屬（如鈦）在高溫條件下會(huì)變得非�；顫姡�真空環(huán)境可以防止金屬的氧化。

EBM與SLM對比

SLM和EBM設(shè)備都是以高能束流為熱源，根據(jù)CAD分層數(shù)據(jù)選擇性的掃描熔化粉床上的金屬粉末，層層疊加來形成金屬零件。二者的差異主要有三方面：

1.熱源不同，SLM采用激光為熱源，EBM采用電子束作為熱源；

2.成形工作環(huán)境不同，SLM技術(shù)在惰性氣體條件下熔化成形，EBM技術(shù)在真空條件下熔化成形；

3.工作成形熱溫度不同。SLM最多可預(yù)熱溫度300℃，EBM技術(shù)可采用電子束掃描對每一層金屬粉末掃描預(yù)熱，使零件在600～1200℃范圍內(nèi)加工成形；

4.鋪粉厚度不同。EBM的粉末層厚度在50-150um之間。粉末厚度大，零件就可以在更短的時(shí)間內(nèi)制造完成，因而更加高效。通常EBM的效率是SLM的3倍。

5.粉末粒徑不同。EBM的粉末粒徑相對較粗，分布在45-105um。而對于SLM工藝，過粗的粉末有不能熔透的風(fēng)險(xiǎn)。粉末粒徑越細(xì)，價(jià)格越高，因此EBM的耗材更加經(jīng)濟(jì)。

EBM優(yōu)勢&技術(shù)限制

EBM優(yōu)勢

1.電子束的能量轉(zhuǎn)換效率非常高，遠(yuǎn)高于激光，因此能量密度高，粉末材料熔化速度更快，因此可以得到更快的成型速度，且節(jié)省能源；

2.高能量密度能夠熔化熔點(diǎn)高達(dá)3400攝氏度的金屬；

3.電子束的掃描速度遠(yuǎn)高于激光，因此在造型過程中可利用電子束對每一層金屬粉末掃描預(yù)熱以提高粉末的溫度。經(jīng)過預(yù)熱的粉末在造型后殘余應(yīng)力較小，在特定形狀的制造上會(huì)有優(yōu)勢，且無需熱處理。

EBM技術(shù)限制

1.金屬粉末被電子束進(jìn)行預(yù)熱后會(huì)變成輕微燒結(jié)的狀態(tài)，制造結(jié)束后，EBM的未造型粉末需要通過噴砂等工藝去除，若是復(fù)雜造型內(nèi)部會(huì)有難以去除的問題；

2.需要額外的系統(tǒng)設(shè)備以制造真空工作環(huán)境，因此設(shè)備較為龐大；

3.EBM技術(shù)成形的零件表面粗糙度大于SLM技術(shù)。

EBM應(yīng)用

EBM可用于模型、樣機(jī)的制造，也可用于復(fù)雜形狀的金屬零件的小批量生產(chǎn)。EBM技術(shù)可廣泛應(yīng)用于航空航天及工業(yè)領(lǐng)域的輕量化整體結(jié)構(gòu)、高性能復(fù)雜零部件的制造（如制造起落架部件和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件等），以及醫(yī)療領(lǐng)域多孔結(jié)構(gòu)骨科植入物的制造。

EBM技術(shù)在骨科的應(yīng)用（圖片來源：Arcam）

EBM的應(yīng)用案例（圖片來源：南極熊）

EBM還能夠制造傳統(tǒng)加工方法難以制造的金屬材料，比如常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金。

EBM技術(shù)制造的TiAl基合金葉片（圖片來源：Arcam）

EBM制造的具有多孔表面的髖臼杯（圖片來源：ARCAM）

EBM材料

EBM的材料一般為多金屬混合粉末合金材料，如目前主流的Ti6Al4V、鈷鉻合金、高溫銅合金等等。這些材料具有自己獨(dú)有的一些特征，如高溫銅合金具有高相對強(qiáng)度、潛在的用于高熱焊劑的應(yīng)用、極好的升高的溫度強(qiáng)度、極好的熱傳導(dǎo)性、好的抗蠕變性等特征。

目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的EBM材料有：CoCrMo合金，純銅，純鐵，316L不銹鋼，H13工具鋼，金屬鈮，鎳基合金，純鈦，鈦合金，TiAl基合金。

用于EBM技術(shù)的金屬粉末（圖片來源：南極熊）