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。EBM技術最早由瑞典Arcam公司研發(fā)并取得專利。Arcam成立于1997年，專注于EBM設備的研發(fā)、制造，目前擁有超過50項相關專利，在全世界裝機超過200套。清華大學在國內最先開展EBM裝備研發(fā)，掌握鋪粉、電子束精確掃描、成形控制等關鍵技術，自主研發(fā)了多套樣機并在多家企事業(yè)單位得到了驗證，目前正通過智束科技進行商業(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，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技術是使用激光來熔化金屬粉末，而EBM技術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技術在打印之前，鋪設好一層粉末后，電子束會多次地快速掃描粉末層使其預熱，粉末處于輕微燒結狀態(tài)而不至于被熔化。這是EBM技術獨有的一個步驟。SLM最多可預熱溫度300℃，而EBM技術可采用電子束掃描對每一層金屬粉末進行預熱，使零件在600～1200℃范圍內加工成形。下圖是電子束的預熱過程，由于電子束可以快速跳轉，看起來有多條掃描線在加熱粉末床。

EBM的電子束預熱過程

具體的打印過程為，計算機將物體的三維數(shù)據轉化為一層層截面的2D數(shù)據并傳輸給打印機，打印機在鋪設好的粉末上方選擇性地向粉末發(fā)射電子束，電子的動能轉換為熱能，選區(qū)內的金屬粉末加熱到完全熔化后成型，加工成當前層。然后活塞使工作臺降低一個單位的高度，新的一層粉末鋪撒在已燒結的當前層之上，設備調入新一層截面的數(shù)據進行加工，與前一層截面粘結，此過程逐層循環(huán)直至整個物體成型。

EBM設備結構圖（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）在高溫條件下會變得非常活潑，真空環(huán)境可以防止金屬的氧化。

EBM與SLM對比

SLM和EBM設備都是以高能束流為熱源，根據CAD分層數(shù)據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技術在惰性氣體條件下熔化成形，EBM技術在真空條件下熔化成形；

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

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間內制造完成，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險。粉末粒徑越細，價格越高，因此EBM的耗材更加經濟。

EBM優(yōu)勢&技術限制

EBM優(yōu)勢

1.電子束的能量轉換效率非常高，遠高于激光，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高達3400攝氏度的金屬；

3.電子束的掃描速度遠高于激光，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熱以提高粉末的溫度。經過預熱的粉末在造型后殘余應力較小，在特定形狀的制造上會有優(yōu)勢，且無需熱處理。

EBM技術限制

1.金屬粉末被電子束進行預熱后會變成輕微燒結的狀態(tài)，制造結束后，EBM的未造型粉末需要通過噴砂等工藝去除，若是復雜造型內部會有難以去除的問題；

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

3.EBM技術成形的零件表面粗糙度大于SLM技術。

EBM應用

EBM可用于模型、樣機的制造，也可用于復雜形狀的金屬零件的小批量生產。EBM技術可廣泛應用于航空航天及工業(yè)領域的輕量化整體結構、高性能復雜零部件的制造（如制造起落架部件和火箭發(fā)動機部件等），以及醫(yī)療領域多孔結構骨科植入物的制造。

EBM技術在骨科的應用（圖片來源：Arcam）

EBM的應用案例（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)動機的高溫合金。

EBM技術制造的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有的一些特征，如高溫銅合金具有高相對強度、潛在的用于高熱焊劑的應用、極好的升高的溫度強度、極好的熱傳導性、好的抗蠕變性等特征。

目前已經商業(yè)化應用的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技術的金屬粉末（圖片來源：南極熊）