潛力待放：電子束粉末床熔合金屬3D打印的故事與現(xiàn)狀

導讀：電子束3D打�。‥BSM）到底和激光3D打�。⊿LM）有何區(qū)別？有什么優(yōu)勢？經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，對兩種技術進行了技術上和商業(yè)上的全面比較；小編趕緊翻譯部分內容，以饗讀者。

（全文約4000字，閱讀需要6分鐘。）

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

在過去的20年中，金屬增材制造領域出現(xiàn)了許多經過不斷開發(fā)改進、并經過檢驗的成熟技術。這些技術使用各種原料，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制坯，然后再進行燒結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，甚至近乎主導的地位。其主要優(yōu)點是：以合理的高分辨率生產多個零件，甚至是大型零件；工藝過程易于理解，成形穩(wěn)定，結果可預測。當然，這項技術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（PBF-EB）盡管在技術上受人尊敬，但在應用當中似乎不被重視。PBF-EB盡管在許多應用領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在內的金屬粉末床熔合設備的安裝數(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。首先，在基板上鋪設一薄層金屬粉末，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。粉末被預熱后，電子束被電磁場偏轉，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機器的基本結構包括電子束槍、引導電子束掃描所需形狀的電磁線圈、內有鋪粉機構的真空室。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。成形結束后，腔室內將充滿惰性氦氣，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機器的基本結構（智束科技供圖）

△智束科技開發(fā)的大型PBF-EB設備，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，電子束的偏轉沒有質量，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，并且同時產生數(shù)十個熔池。

六大常見誤解

關于PBF-EB，存在許多被誤導或者不準確的認識。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雜的技術。結果，技術人員和操作人員發(fā)現(xiàn)這項技術難以掌握，盡管電子束在發(fā)明激光之前就已經有很多用途。另一個原因可能是，金屬增材制造技術的許多潛在用戶選擇了更容易上手的PBF-LB技術，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，最終的結果和性能也不同。PBF-EB是一項獨立的技術，而不是簡單的類比于PBF-LB技術。

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�？吹絇BF-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障礙。尚未有大尺寸的PBF-EB設備面世，實際上是因為PBF-EB有更好的方式來提高產能。

PBF-EB的優(yōu)勢

1、通過有限的支撐結構進行堆垛
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構。燒結的“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粉末中進行能量轉移的對比

3、更寬的層厚范圍
PBF-EB具有很高的生產率，可適應較寬的層厚范圍�？梢愿鶕�(jù)具體的應用要求，靈活地調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，并可能在大批量應用中與傳統(tǒng)的制造技術競爭。

6、減少熱應力
PBF-EB是熱粉床工藝，可在整個成形過程中保持高溫，從而生產沒有殘余應力的零件。
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技術制造的用于GE9X發(fā)動機的鈦鋁合金渦輪葉片

△PBF-EB技術制造的鈦鋁合金葉片毛坯（智束科技供圖）

△PBF-EB技術制造的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的關鍵環(huán)節(jié)，并且通常是成形過程和后處理的痛苦之源。另外，還有支撐結構的去除。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)量的支撐結構來建造零件。零件成形結束并冷卻后，在清粉站中通過噴砂工藝去除并回收“燒結蛋糕”中的未熔化粉末。噴砂介質就是粉末材料本身。結塊的未熔化粉末可以完全重復使用。通過合適的工藝設計，噴砂清粉過程不會對部件的完整性產生不利影響，清粉效率也很高。但是，當結塊的材料位于內部流道的情況下，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

歸根結底，用戶希望能夠以較低的成本生產零件。那么哪種技術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生產的鈦合金零件比PBF-LB生產的要便宜。因為PBF-EB目前被大量用于生產鈦合金零件，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，并將結果發(fā)布在GE Additive白皮書中。其結論是，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、由于簡化了支撐結構，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，結果都指向PBF-EB更經濟。

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)化應用是一場馬拉松，遠未結束。首先，將不會有單一的制勝技術，因為增材制造技術的應用場景千差萬別。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用場合替代一直處于主導地位的激光。我們可以預期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濟實惠。

PBF-EB技術在過去五年的進展，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)是技術領先的高能束金屬3D打印“裝備+工藝+應用”解決方案提供商;核心技術為電子束選區(qū)熔化（EBSM）增材制造（3D打印）技術，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；核心技術與團隊均來源于清華大學，開發(fā)了具有自主知識產權的EBSM金屬3D打印裝備，可廣泛應用于航空航天高性能復雜零部件和醫(yī)學植入體制造等領域。公司具備ISO9001:2015質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)進行以客戶為導向的創(chuàng)新，致力于為相關領域的企業(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（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