EBM 金屬3D打印技術(shù)介紹

電子束熔化（EBM）

1994年瑞典 ARCAM 公司申請(qǐng)的一份專利，所開(kāi)發(fā)的技術(shù)稱為電子束熔化成形技術(shù)（Electron Beam Melting），ARCAM公司也是世界上第一家將電子束快速制造商業(yè)化的公司，并于2003 年推出第一代設(shè)備，此后美國(guó)麻省理工學(xué)院、美國(guó)航空航天局、北京航空制造工程研究所和我國(guó)清華大學(xué)均開(kāi)發(fā)出了各自的基于電子束的快速制造系統(tǒng)。美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的電子束實(shí)體自由成形技術(shù)（ Electron  Beam  Solid  Freeform  Fabrication，EBSFF）。EBSFF 技術(shù)采用送絲方式供給成形材料前兩種利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動(dòng)，金屬絲材通過(guò)送絲裝置和工作臺(tái)移動(dòng)，與激光近形制造技術(shù)類似，電子束熔絲沉積快速制造時(shí)，影響因素較多，如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離、工件運(yùn)動(dòng)速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長(zhǎng)度等。這些因素共同作用影響熔積體截面幾何參量，確區(qū)分單一因素的作用十分困難；瑞典 ARCAM 公司與清華大學(xué)電子束開(kāi)發(fā)的選區(qū)熔化（EBSM）利用電子束熔化鋪在工作臺(tái)面上的金屬粉末，與激光選區(qū)熔化技術(shù)類似，利用電子束實(shí)時(shí)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)熔化成形，該技術(shù)不需要二維運(yùn)動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)金屬粉末的快速掃描成形。

電子束選區(qū)熔化（EBSM）原理

類似激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)熔化工藝，電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成形的快速制造技術(shù)。EBSM技術(shù)的工藝過(guò)程為：先在鋪粉平面上鋪展一層粉末；然后，電子束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的熔化，金屬粉末在電子束的轟擊下被熔化在一起，并與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個(gè)零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。上位機(jī)的實(shí)時(shí)掃描信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換及功率放大后傳遞給偏轉(zhuǎn)線圈，電子束在對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)電壓產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下偏轉(zhuǎn)，達(dá)到選擇性熔化。經(jīng)過(guò)十幾年的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于一些工藝參數(shù)如電子束電流、聚焦電流、作用時(shí)間、粉末厚度、加速電壓、掃描方式進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。作用時(shí)間對(duì)成型影響最大。

電子束選區(qū)熔化的優(yōu)勢(shì)

電子束直接金屬成形技術(shù)采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可通過(guò)操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行，沒(méi)有機(jī)械慣性，且電子束具有的真空環(huán)境還可避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過(guò)程中被氧化。  電子束與激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、穩(wěn)定及運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。EBM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是成型過(guò)程效率高，零件變形小，成型過(guò)程不需要金屬支撐，微觀組織更致密等  電子束的偏轉(zhuǎn)聚焦控制更加快速、靈敏。激光的偏轉(zhuǎn)需要使用振鏡，在激光進(jìn)行高速掃描時(shí)振鏡的轉(zhuǎn)速很高。在激光功率較大時(shí)，振鏡需要更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描時(shí)，激光的掃描速度將受到限制。在掃描較大成形范圍時(shí)，激光的焦距也很難快速的改變。電子束的偏轉(zhuǎn)和聚焦利用磁場(chǎng)完成，可以通過(guò)改變電信號(hào)的強(qiáng)度和方向快速靈敏的控制電子束的偏轉(zhuǎn)量和聚焦長(zhǎng)度。電子束偏轉(zhuǎn)聚焦系統(tǒng)不會(huì)被金屬蒸鍍干擾。用激光和電子束熔化金屬的時(shí)候，金屬蒸汽會(huì)彌散在整個(gè)成形空間，并在接觸的任何物體表面鍍上金屬薄膜。電子束偏轉(zhuǎn)聚焦都是在磁場(chǎng)中完成，因而不會(huì)受到金屬蒸鍍的影響；激光器振鏡等光學(xué)器件則容易受到蒸鍍污染。

電子束選區(qū)熔化的主要問(wèn)題

真空室抽氣過(guò)程中粉末容易被氣流帶走，造成真空系統(tǒng)的污染；但其存在一個(gè)比較特殊的問(wèn)題即粉末潰散現(xiàn)象，其原因是電子束具有較大動(dòng)能，當(dāng)高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時(shí)，電子的部分動(dòng)能也直接轉(zhuǎn)化為粉末微粒的動(dòng)能。當(dāng)粉末流動(dòng)性較好時(shí)，粉末顆粒會(huì)被電子束推開(kāi)形成潰散現(xiàn)象。防止炊粉的基本原則是提高粉床的穩(wěn)定性，克服電子束的推力，主要有四項(xiàng)措施：降低粉末的流動(dòng)性，對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)成型底板進(jìn)行預(yù)熱，優(yōu)化電子束掃描方式。因此，粉末材料一直很難成為真空電子束設(shè)備的加工對(duì)象，工藝參數(shù)方面的研究更是鮮有報(bào)導(dǎo)。針對(duì)粉末在電子束作用下容易潰散的現(xiàn)象，提不同粉末體系所能承受的電子束域值電流（潰散電流）和電子束掃描域值速度（潰散速度）判據(jù)，并在此基礎(chǔ)上研究出混合粉末；  EBM技術(shù)成型室中必須為高真空，才能保證設(shè)備正常工作，這使得EBM技術(shù)整機(jī)復(fù)雜度提高。還因在真空度下粉末容易揚(yáng)起而造成系統(tǒng)污染。此外，EBM技術(shù)需要將系統(tǒng)預(yù)熱到800℃以上，使得粉末在成型室內(nèi)預(yù)先燒結(jié)固化在一起，高預(yù)熱溫度對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)提出非常高的要求，加工結(jié)束后零件需要在真空成型室中冷卻相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，降低了零件的生產(chǎn)效率。

電子束無(wú)法比較難像激光束一樣聚焦出細(xì)微的光斑因此成型件難以達(dá)到較高的尺寸精度。因此，對(duì)于精密或有細(xì)微結(jié)構(gòu)的功能件，電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)是難以直接制造出來(lái)的。  電子束偏轉(zhuǎn)誤差。EBSM系統(tǒng)采用磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，使電子偏轉(zhuǎn)。由于偏轉(zhuǎn)的非線性以及磁場(chǎng)的非均勻性，電子束在大范圍掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)枕形失真。大偏角時(shí)的散焦。EBSM系統(tǒng)采用聚焦線圈使電子束聚焦。若聚焦線圈中的電流恒定，電子束的聚焦面為球面，而電子束在平面上掃描。因此，電子束在不偏轉(zhuǎn)時(shí)聚焦，而在大角度偏轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)散焦。  

國(guó)內(nèi)外研究狀況

從 2003 年推出第一臺(tái)設(shè)備 S12 至今，ARCAM 推出了三款成形設(shè)備。在新一代成形設(shè)備 A1、A2成形設(shè)備中，成形零件的最大尺寸和精度都有較大的提高，并且在成形零件的冷卻中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)冷卻。在成形和冷卻的過(guò)程中在真空室充入一定壓強(qiáng)的氦氣，可以加速成形后的冷卻速率，同時(shí)保持更低的氧含量。A1、A2 設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域也更加明確，A1 主要用來(lái)成形骨骼植入物，成形材料也主要為鈦、鈷合金；A2 主要用于成形航天航空領(lǐng)域和國(guó)防領(lǐng)域需要的零件，也制作其它領(lǐng)域成形復(fù)雜度高的小批量金屬件。ARCAM 采用最新生產(chǎn)的 A1 和 A2 設(shè)備，生產(chǎn)了大量精度和強(qiáng)度更加優(yōu)良的零件，其中利用 A1 生產(chǎn)的合金骨骼早已通過(guò)了 CE 認(rèn)證，迄今在歐洲大陸已經(jīng)造福超過(guò) 10，000 名患者，在 2011 年初也通過(guò)了美國(guó) FDA 的認(rèn)證。利用 A2 生產(chǎn)的航空和國(guó)防領(lǐng)域的產(chǎn)品也取得了顯著的成果，除了具有以上所說(shuō)的表面光滑，可加工復(fù)雜形狀，還將原材料到最終產(chǎn)品質(zhì)量的比率由 15～20 降到了約為 1，大大的降低了成本。  

美國(guó) NASA  Langley  Research  Center、Sciaky 公司、Lockheed Martin 公司等研究單位針對(duì)航空航天鈦合金、鋁合金結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量研究，最大成型速度達(dá)到了 3500cm3／h，較之其它的金屬快速成型技術(shù)，效率提高了數(shù)十倍。利用該項(xiàng)技術(shù)完成了F－22 上鈦合金支座的直接制造，該零件成功通過(guò)了兩個(gè)周期的最大載荷全譜疲勞測(cè)試，并未發(fā)現(xiàn)永久變形。在國(guó)內(nèi)清華大學(xué)機(jī)械系獨(dú)立的開(kāi)發(fā)了電子束選區(qū)熔化設(shè)備，在 2004 年推出第一臺(tái)電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備 EBSM150，并于 2008 年升級(jí)到第二代設(shè)備EBSM250，成形零件最大尺寸增大至 230mm×230mm×250mm。該課題組使用自行開(kāi)發(fā)的設(shè)備，對(duì)電子束選區(qū)熔化工藝的多個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，在近十年的時(shí)間內(nèi)，做了大量研發(fā)工作，包括成形控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、粉末預(yù)熱工藝、掃描路徑規(guī)劃、成形件的機(jī)械性能等。