電子束熔化（EBM）金屬3D打�。涸�理、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械強度的特點，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入了 EB PBF 機器市場，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)和機器也越來越多。當前的行業(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)機器。

如果我們要選擇一家特別有可能徹底顛覆當前技術(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發(fā)明的，并由Arcam AB 進行商業(yè)化開發(fā)，該公司在 2013 年之前一直是 EBM 機器的唯一供應(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)境中進行，而是在真空中進行以防止光束散射，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準 PBF 激光器強大得多。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，這導致人們普遍認為 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。隨著機器停機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


△準備加工的醫(yī)用植入物（來源：FMI International）

醫(yī)學領(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)機械生物學原理開展工作：細胞和組織的機械特性有助于發(fā)育、細胞分化、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、商用和軍用飛機的噴氣發(fā)動機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)動機包括 LEAP、GEnx、GE90 和 GE90。負責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 打印渦輪機可以減輕多達 20% 的發(fā)動機重量，這相當于航空業(yè)的一次飛躍。此外，強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

GE Additive (Arcam)


△Arcam Spectra L，GE 最大的 EBM 機器

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。目前，GE 在其網(wǎng)站上列出了三臺 EBM 機器：

●Arcam EBM Q10plus

一種針對醫(yī)療植入物生產(chǎn)進行優(yōu)化的小型機器，可提供改進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 200 x 200 x 200 mm 的構(gòu)建體積。該機器能夠加工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，并通過先進的控制為 4.5 kW 的電子束提供動力，與以前的 Arcam 機器相比，每個零件的成本降低了 20%，該機器專為提高生產(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”列為該機器的主要功能之一（來源：JEOL）

JEOL 憑借 70 多年的電子光學經(jīng)驗進入了增材制造領(lǐng)域。在 RAPID 2022 期間，推出了其第一臺電子束機 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行預(yù)燒結(jié)，使其具有導電性，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，因為不再需要對整個粉末層進行預(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 進行加工，并且開放系統(tǒng)促進了新工藝參數(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，將大大有助于簡化材料開發(fā)工作。

Freemelt


△開源打印機 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。他們唯一的機器 Freemelt ONE 是作為實現(xiàn)這些目標的一種方式銷售的，而不是作為獨立的生產(chǎn)機器。

Freemelt ONE 具有高達 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)機器，可適用于任何導電金屬。

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，新一代科研型機型EBSM®裝備（來源：QBEAM）

與 Freemelt 的 ONE 一樣，這臺機器專為材料研發(fā)而設(shè)計。它具有高達 200 x 200 x 240 毫米的構(gòu)建尺寸和 3 千瓦的光束。該設(shè)備可以加工任何導電材料，包括鈦合金、高強鈦合金、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、高強鈦合金、高強鋁合金。


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
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

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 EBM 30S（來源：Pro-Beam）

德國金屬加工專家 Pro-beam 于 2021 年以兩臺機器進入 AM EBM 市場，當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

TADA 是近年來第二家將 EBM 機器商業(yè)化的日本公司。三菱電機的子公司多田電機開發(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 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）

南極熊認為，電子束熔化技術(shù)的未來是光明的。受益于人們當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制造工藝。

很全面