潛力待放：電子束粉末床熔合金屬3D打印的故事與現(xiàn)狀

導(dǎo)讀：電子束3D打�。‥BSM）到底和激光3D打印（SLM）有何區(qū)別？有什么優(yōu)勢？經(jīng)常有讀者會有這樣的問題。直到在《Metal AM》上看到這篇文章，作者解答了對EBSM的幾個常見誤解，對兩種技術(shù)進行了技術(shù)上和商業(yè)上的全面比較；小編趕緊翻譯部分內(nèi)容，以饗讀者。

（全文約4000字，閱讀需要6分鐘。）

△髖關(guān)節(jié)植入物堆垛。每個零件之間緊密地堆放有燒結(jié)粉末，并且沒有支撐結(jié)構(gòu)。（智束科技供圖）

在過去的20年中，金屬增材制造領(lǐng)域出現(xiàn)了許多經(jīng)過不斷開發(fā)改進、并經(jīng)過檢驗的成熟技術(shù)。這些技術(shù)使用各種原料，例如粉末、金屬絲以及金屬棒。有些工藝將能量直接施加到材料上以制造零件，有些工藝則先制造一個預(yù)制坯，然后再進行燒結(jié)以得到具有足夠冶金性能的金屬部件。

在金屬增材制造市場上，激光粉末床熔合（PBF-LB）占據(jù)著顯著的，甚至近乎主導(dǎo)的地位。其主要優(yōu)點是：以合理的高分辨率生產(chǎn)多個零件，甚至是大型零件；工藝過程易于理解，成形穩(wěn)定，結(jié)果可預(yù)測。當然，這項技術(shù)也有它的缺點和弊端。

相較之下，與PBF-LB相似的電子束粉末床熔合技術(shù)（PBF-EB）盡管在技術(shù)上受人尊敬，但在應(yīng)用當中似乎不被重視。PBF-EB盡管在許多應(yīng)用領(lǐng)域都具有前景可觀的價值潛力，但采用率（裝機量）遠遠落后。

那么，為什么PBF-EB在采用率方面遠遠落后于PBF-LB？在下面的文章中，我們將研究PBF-EB和PBF-LB的優(yōu)缺點，并嘗試預(yù)測PBF-EB的發(fā)展方向。

金屬增材制造行業(yè)咨詢公司Ampower估計，到2019年底，包括PBF-LB和PBF-EB在內(nèi)的金屬粉末床熔合設(shè)備的安裝數(shù)量為9,111臺。根據(jù)Wohlers報告發(fā)布的數(shù)據(jù)，在2018–2020年間，我們可以估計其中只有6％左右（約510臺）是PBF-EB機器。這意味著，每售出1臺PBF-EB機器，PBF-LB機器的供應(yīng)商售出了16臺以上的機器。

對此的解釋可能是：PBF-LB比PBF-EB出現(xiàn)的更早？然而，人類在120多年前就發(fā)現(xiàn)了電子束，直到60年前才發(fā)明了激光。文獻中有證據(jù)表明，使用電子束熔化金屬粉末的早期工作是由比利時魯汶的Katholieke Universiteit的一個小組在1991年完成的。
而第一臺使用激光的金屬PBF機器于1994年開始商業(yè)化，在時間上并沒有優(yōu)勢。

它是如何工作的，為何與眾不同？

PBF-EB是一種利用電子束輻照金屬粉末并使其熔化的增材制造技術(shù)。首先，在基板上鋪設(shè)一薄層金屬粉末，電子束輻照整個粉末層，對粉末層進行加熱。電子束的寬范圍掃描輻照，可以將粉末加熱到需要的溫度。該溫度取決于所成形的材料，對于Ti6Al4V該溫度高達800°C左右，其他材料甚至需要更高的溫度。粉末被預(yù)熱后，電子束被電磁場偏轉(zhuǎn)，將能量輸入至粉末層，將粉末繼續(xù)加熱至熔點之上，選擇性地熔合粉末層。之后，降低成形平臺，并在成形區(qū)域中鋪設(shè)一層新的粉末。連續(xù)地逐層加熱和選擇性熔合粉末層，最終堆積形成和3D模型一致的形狀。

成形結(jié)束后，被加熱但未熔化的粉末包裹在完全熔化的零件周圍，形成一個燒結(jié)的“蛋糕”，需要在后處理步驟中去除并回收。該后處理步驟類似機械噴砂，“蛋糕”被打散成粉末。

PBF-EB機器的基本結(jié)構(gòu)包括電子束槍、引導(dǎo)電子束掃描所需形狀的電磁線圈、內(nèi)有鋪粉機構(gòu)的真空室。通常，電子束的最大功率為3-6kW。電子從加熱的燈絲或晶體發(fā)出，并通過高電壓加速。電磁線圈對電子束的聚焦和定位過程，類似于光學透鏡對激光束的聚焦和定位。在成形過程中，成形室和電子束槍始終處于真空狀態(tài)。準備所需的真空環(huán)境大約需要一個小時。成形結(jié)束后，腔室內(nèi)將充滿惰性氦氣，以加快冷卻過程。在氦氣中冷卻幾個小時后，才可以打開成形室，使其安全地暴露在空氣中而不會發(fā)生粉末氧化。

△PBF-EB機器的基本結(jié)構(gòu)（智束科技供圖）

△智束科技開發(fā)的大型PBF-EB設(shè)備，電子束功率6kW，采用單晶陰極，鈦合金成形尺寸350*350*500 mm

雖然PBF-LB和PBF-EB都具有選擇性熔化金屬粉末層的基本功能和形式，但兩種技術(shù)之間存在系統(tǒng)化的差異。最顯著的差異是：PBF-LB需要機械振鏡控制激光束的矢量式掃描。

在PBF-EB中，電子束的偏轉(zhuǎn)沒有質(zhì)量，也沒有慣性，因此可以使電子束幾乎在一瞬間掃描整個成形區(qū)域，并且同時產(chǎn)生數(shù)十個熔池。

六大常見誤解

關(guān)于PBF-EB，存在許多被誤導(dǎo)或者不準確的認識。這些誤解主要是由于PBF-EB在商業(yè)上遠遠落后于PBF-LB的事實。落后的原因主要在于：PBF-EB在其發(fā)展初期是一種更為復(fù)雜的技術(shù)。結(jié)果，技術(shù)人員和操作人員發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)難以掌握，盡管電子束在發(fā)明激光之前就已經(jīng)有很多用途。另一個原因可能是，金屬增材制造技術(shù)的許多潛在用戶選擇了更容易上手的PBF-LB技術(shù)，這是基于銷售統(tǒng)計數(shù)據(jù)的一個合理推測。

對PBF-LB的誤解某種程度上抑制了這項技術(shù)的進步和潛力，因此，有必要厘清這些誤解。

1.PBF-EB與PBF-LB相似
其唯一的共同點是粉末被高能束熔化。但是，需要認識到，其物理原理不同，成形機制有很大區(qū)別，最終的結(jié)果和性能也不同。PBF-EB是一項獨立的技術(shù)，而不是簡單的類比于PBF-LB技術(shù)。

2.PBF-EB只能打印有限的幾種材料，主要是鈦合金
PBF-EB目前主要被用來打印鈦合金，有其歷史和商業(yè)原因。但是，沒有任何因素限制PBF-EB用于與PBF-LB一樣廣泛的合金材料。如果有充分的開發(fā)平臺，PBF-EB同樣可以廣泛地使用各種合金材料。

3.PBF-EB成形件的表面光潔度比PBF-LB零件要粗糙，并且不能打印細粉
由于市售機器的配置，我們通常看到PBF-EB的成形件表面光潔度較粗糙。事實上，PBF-EB同樣可以使用更細的粉末和更薄的層厚。研究人員已經(jīng)證實，通過更精準的電子束控制，采用更細的粉末和更薄的層厚，PBF-EB成形件的表面光潔度可以顯著提高。

4.PBF-EB僅適用于昂貴的專業(yè)球形粉末
與PBF-LB一樣，由于現(xiàn)有鋪粉技術(shù)的限制，機器要求使用球性粉末。事實上，通過改進不規(guī)則粉末的鋪粉方法，PBF-EB可以使用更便宜的不規(guī)則粉末。

5.成形后冷卻時間長，不夠經(jīng)濟。
冷卻只是整個成形過程的一步。事實上，如果考慮整體的生產(chǎn)能力，在大多數(shù)情況下，與PBF-LB相比，PBF-EB制造速度更高，足以彌補所需的冷卻時間。

6.PBF-EB無法像PBF-LB一樣制造大型零件
我們看到，PBF-EB通常用來制造小尺寸零件。其實，擴大成形尺寸不存在技術(shù)障礙。尚未有大尺寸的PBF-EB設(shè)備面世，實際上是因為PBF-EB有更好的方式來提高產(chǎn)能。

PBF-EB的優(yōu)勢

1、通過有限的支撐結(jié)構(gòu)進行堆垛
小型零件可以進行堆垛，無需添加PBF-LB中常見的密集的支撐結(jié)構(gòu)。燒結(jié)的“粉末蛋糕”發(fā)揮了部分支撐作用。

2、均勻的粉末熔化
電子束比激光更深地穿透粉末材料，從而使粉末熔化更均勻。電子束還能夠熔化高反光率材料，并且不會導(dǎo)致粉末顆粒的表面過熱蒸發(fā)。

△電子束（左）和激光（右）在Ti64粉末中進行能量轉(zhuǎn)移的對比

3、更寬的層厚范圍
PBF-EB具有很高的生產(chǎn)率，可適應(yīng)較寬的層厚范圍。可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求，靈活地調(diào)整效率和表面光潔度的平衡。

4、真空環(huán)境
熔化過程是在最干凈和最安全的高真空環(huán)境中進行的。另外，真空可以隔熱，有助于提高能源效率。

5、量產(chǎn)的成本優(yōu)勢
比起激光，電子束更容易、更低成本地增加功率。這使得PBF-EB在未來的超快增材制造中具有比PBF-LB更大的可擴展性，并可能在大批量應(yīng)用中與傳統(tǒng)的制造技術(shù)競爭。

6、減少熱應(yīng)力
PBF-EB是熱粉床工藝，可在整個成形過程中保持高溫，從而生產(chǎn)沒有殘余應(yīng)力的零件。
這消除或減少了對熱處理的需求，大大節(jié)省了熱處理時間和成本，并有助于更大的設(shè)計自由度。得益于PBF-EB的卓越的溫度場控制，脆性和易裂性合金可以成功地進行增材制造，從而將增材制造的應(yīng)用范圍擴展到了任何其他工藝（包括PBF-LB）都無法制造的材料。

△PBF-EB技術(shù)制造的用于GE9X發(fā)動機的鈦鋁合金渦輪葉片

△PBF-EB技術(shù)制造的鈦鋁合金葉片毛坯（智束科技供圖）

△PBF-EB技術(shù)制造的Vibenite 290材料刀具。Vibenite 290是一種FeCoW材料，兼具高耐磨性和耐熱性。硬度約為72 HRC（VBN Components AB）

清粉和后處理

粉末管理和清除是所有粉末床熔合技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且通常是成形過程和后處理的痛苦之源。另外，還有支撐結(jié)構(gòu)的去除。PBF-LB和PBF-EB都面臨以上問題，值得進一步闡述。

如前所述，PBF-EB工藝允許使用有限數(shù)量的支撐結(jié)構(gòu)來建造零件。零件成形結(jié)束并冷卻后，在清粉站中通過噴砂工藝去除并回收“燒結(jié)蛋糕”中的未熔化粉末。噴砂介質(zhì)就是粉末材料本身。結(jié)塊的未熔化粉末可以完全重復(fù)使用。通過合適的工藝設(shè)計，噴砂清粉過程不會對部件的完整性產(chǎn)生不利影響，清粉效率也很高。但是，當結(jié)塊的材料位于內(nèi)部流道的情況下，會面臨一定困難。

在PBF-LB工藝中清粉更容易。由于粉末沒有以任何方式粘結(jié)到零件的主體上，因此僅需要通過壓縮空氣就可以手動地去除粉末。也可以選擇具備自動清粉功能的粉末清除站，將粉末從工具難以到達的地方倒出，得到帶著支撐的、干凈的、無粉末沾附的零件。

在熱等靜壓（HIP）后處理步驟中，PBF-EB更具優(yōu)勢。如果要消除零件內(nèi)部的孔隙，以使得增材制造部件滿足抗疲勞要求，HIP工藝通常是不可缺少的。PBF-EB工藝中形成的氣孔均不含氣體，可以在HIP步驟中不可逆地、永久性地封閉。在氣體流場中進行成形的技術(shù)則相反：孔隙會不可避免地捕獲氣體，氣孔難以通過HIP收縮。更麻煩的是，如果零件暴露在高溫下，氣孔可能會膨脹回原來的尺寸。

零件成本

歸根結(jié)底，用戶希望能夠以較低的成本生產(chǎn)零件。那么哪種技術(shù)提供了更好的選擇呢？回答這個問題要謹慎，因為這取決于所討論零件的幾何形狀。零件的大小和數(shù)量可以極大地影響經(jīng)濟性。機器的成形尺寸越大，一次可以制造的零件數(shù)量就越多。

有充分的證據(jù)表明，由PBF-EB生產(chǎn)的鈦合金零件比PBF-LB生產(chǎn)的要便宜。因為PBF-EB目前被大量用于生產(chǎn)鈦合金零件，因此可以進行充分的成本比較。

在進行比較時，我們測算總成本，包括前處理成本和后處理成本。Ampower進行了一項獨立研究，并將結(jié)果發(fā)布在GE Additive白皮書中。其結(jié)論是，PBF-EB工藝的制造成本“便宜50%”。

對PBF-EB的成本優(yōu)勢進行分析，主要體現(xiàn)在以下方面：
1、由于簡化了支撐結(jié)構(gòu)，PBF-EB更加容易實現(xiàn)3D堆垛。
2、粉末成本：PBF-EB的粉末價格更便宜（如鈦合金）。
3、熱處理成本更低，甚至不需要進行熱處理。
4、與PBF-LB相比，去除支撐更簡單。

基于對市場上金屬增材制造機器的廣泛了解和分析，Ampower還發(fā)布了一個在線成本計算工具，可以估算所有先進的金屬增材制造工藝的制造成本。利用該工具測算各種尺寸和數(shù)量的鈦合金零件的制造成本，結(jié)果都指向PBF-EB更經(jīng)濟。

也就是說，對于各種鈦合金零件，PBF-EB總是比PBF-LB更便宜。即使節(jié)省的費用可能少于所聲稱的50％，但在制造業(yè)中哪怕節(jié)省10％的成本都很重要。未來，隨著電子束功率的提高、成形尺寸的增加、材料研究的不斷進展，PBF-EB的成本優(yōu)勢只會增加。

PBF-EB的未來在哪里？

與其他增材制造工藝相比，PBF-EB目前的腳步更慢。但是，增材制造的廣泛工業(yè)化應(yīng)用是一場馬拉松，遠未結(jié)束。首先，將不會有單一的制勝技術(shù)，因為增材制造技術(shù)的應(yīng)用場景千差萬別。近年來，人們對電子束的興趣激增，并考慮電子束是否可以在某些應(yīng)用場合替代一直處于主導(dǎo)地位的激光。我們可以預(yù)期PBF-EB會出現(xiàn)許多積極的進展。

越來越多的參與者正在加入并幫助PBF-EB進入其下一階段的開發(fā)。業(yè)界對電子束的興趣日益增長，不僅考慮該技術(shù)帶來的更好的冶金性能，最重要的是，考慮是否能夠比基于激光的工藝更加經(jīng)濟實惠。

PBF-EB技術(shù)在過去五年的進展，超過之前二十年的積累和發(fā)展。一項技術(shù)的發(fā)展在許多情況下往往就是這樣，并不總是線性發(fā)展。

無論我們選擇以哪種方式看待和描述PBF-EB的最新發(fā)展，毫無疑問，這是增材制造領(lǐng)域的一個有趣時期。我們將懷著熱切的期待繼續(xù)觀看馬拉松的下一階段，這個行業(yè)還有很長的路要走。

作者：Joseph Kowen，行業(yè)分析師和顧問，自1999年以來一直從事快速原型設(shè)計和增材制造，增材制造咨詢公司Intelligent AM負責人。

天津清研智束科技有限公司(QBEAM)是技術(shù)領(lǐng)先的高能束金屬3D打印“裝備+工藝+應(yīng)用”解決方案提供商;核心技術(shù)為電子束選區(qū)熔化（EBSM）增材制造（3D打�。┘夹g(shù)，利用電子束在高真空環(huán)境下以金屬粉末為原材料制造高度致密的金屬零件；核心技術(shù)與團隊均來源于清華大學，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EBSM金屬3D打印裝備，可廣泛應(yīng)用于航空航天高性能復(fù)雜零部件和醫(yī)學植入體制造等領(lǐng)域。公司具備ISO9001:2015質(zhì)量管理體系認證證書、CE歐洲安全認證體系認證證書，是工信部中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟首批理事單位。  智束科技持續(xù)進行以客戶為導(dǎo)向的創(chuàng)新，致力于為相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)、高校和科研院所提供先進的EBSM裝備及工藝的集成解決方案。

電子束粉末床熔合技術(shù)（PBF-EB）有自己獨特的優(yōu)勢，相信在細分市場中也會逐漸爆發(fā)。

潛力會逐漸釋放出來