EBM 快速成型制造概述
电子束熔化（EBM）是粉末床熔融快速成型制造的一种，它使用电子束有选择性地逐层熔化和融合金属粉末颗粒，从而制造出复杂的三维零件。
注重结果的管理过程的主要特点包括
- 利用金属粉末原料制造全致密部件
- 使用电子束作为能量源
- 可在真空和高温条件下运行
- 实现优异的机械性能
- 适用于钛和钽等活性金属
- 实现机加工无法实现的复杂几何形状
- 可能需要进行后处理，以达到最终的零件表面效果
EBM 可为航空航天、医疗、牙科、汽车和工业应用提供设计自由度、部件整合、重量减轻和性能提升等优势。
如何 EBM 快速成型制造 作品
EBM 增材制造工艺的工作原理如下：
- 将 3D CAD 模型切成薄截面层。
- 金属粉末均匀地分布在真空室的构建板上。
- 电子束根据切片数据对粉末进行选择性扫描和熔化。
- 盖板下降，在上面再铺一层粉末。
- 重复步骤 3-4，直至部件完成。
- 去除多余的粉末，然后对部件进行热处理。
- 如有需要，还可进行机加工或钻孔等后处理。
EBM 设备利用电磁透镜和偏转线圈对电子束进行精确控制。该工艺在高真空条件下进行，因此熔化温度非常高。
EBM 快速成型制造系统的类型
EBM 机器主要有两种类型：
| 机器类型 | 说明 | 建筑尺寸 | 材料 | 应用 |
|---|---|---|---|---|
| 小型系统 | 成本较低，适用于小零件 | 150 x 150 x 150 毫米 | 钛、钴铬、不锈钢、工具钢 | 牙科、医学、研究 |
| 大型系统 | 适用于大批量生产 | 500 x 400 x 400 毫米 | 钛、铬镍铁合金、钽 | 航空航天、汽车、工业 |
Arcam EBM 和 GE Additive 是主要的 EBM 系统制造商，提供小型和大型设备。
用于 EBM 快速成型制造的材料
使用 EBM 技术可以加工各种金属：
- 钛合金:Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
- 镍合金:铬镍铁合金 718、铬镍铁合金 625
- 钴铬合金:钴铬钼合金
- 钢材:不锈钢、工具钢、马氏体时效钢
- 难熔金属:钽、钨
- 贵金属:银、金、铂
- 铝合金:AlSi10Mg
由于钛具有反应活性，因此特别适用于 EBM。但这种工艺也可以用其他先进合金制造高强度和耐腐蚀部件。
EBM 快速成型技术的应用
主要应用包括
航空航天:涡轮叶片、发动机部件、机身和结构部件
医疗植入物:骨科植入物、固定装置、手术器械
汽车:涡轮增压器轮毂、阀体、燃油系统部件
工业:热交换器、压力容器、泵壳、夹具和固定装置
石油和天然气:井下工具、阀体、阀组
国防:卫星和无人机部件、装甲板
在这些行业中，EBM 通过优化设计实现了更轻、更强和更高性能的组件。
的好处 EBM 快速成型制造
EBM 技术的优点包括
- 孔隙率低 - 密度接近 100%，具有优异的机械性能
- 高强度 - 钛合金具有甚至超过锻造材料的性能
- 设计自由 - 可制造复杂的几何形状
- 快速原型制作 - 加快产品开发周期
- 部分合并 - 集成多个组件，减少装配次数
- 减轻体重 - 汽车和航空航天领域使用更轻的组件可节省燃料
- 准时化生产 - 缩短铸件和锻件的交货周期
- 定制产品 - 患者专用医疗器械和个性化消费品
- 可持续生产 - 与减法相比，可减少浪费
这些优势推动了各行各业采用企业经营管理来提高绩效、降低成本和实现新产品创新。
EBM 快速成型技术的局限性
EBM 确实有一些局限性：
- 设备成本高 - EBM 设备的前期资本成本较高，在 1TP450 万至 1TP450 万之间
- 部件尺寸限制 - 构建包络线限制最大零件尺寸
- 尺寸精度 - 通常需要进行后处理，以达到严格的公差要求
- 表面处理 - 阶梯效应导致表面粗糙，需要修整
- 建造率 - 比使用激光或电子束的粉末床聚变工艺慢
- 反应金属 - 仅限于惰性金属或钛和钽等金属
- 除粉 - 必须清除和回收未使用的金属粉末
- 热应力 - 可能导致部件翘曲和开裂
EBM 技术的不断发展旨在提高速度、质量、材料灵活性和成本效益。
EBM 增材制造的设计原则
遵循设计准则是成功利用 EBM 技术的关键：
- 尽量减少悬挑和无支撑几何形状
- 包括用于清除多余粉末的小孔（1-2 毫米
- 利用晶格结构减轻重量
- 壁厚保持在 1 毫米以上
- 包括角度 ≥ 30°，以避免应力集中
- 考虑 0.2% 线性比例因子
- 细部公差为 0.2 毫米
- 设计内部通道 ≥ 2 毫米，用于清除粉末
- 尽量减少粉末积聚的区域
- 将部件放置在板上，以尽量减小横截面积
仿真工具有助于在设计流程的早期评估设计性能。设计可根据 AM 能力进行优化。
EBM 的工艺参数
关键的 EBM 工艺参数包括
- 光束功率 - 影响成型率、孔隙率和微观结构
- 光束速度 - 更高的速度可提高建造速度，但会影响密度
- 光束聚焦 - 聚焦与偏转控制融合
- 扫描策略 - 层间交替光栅方向可减少残余应力
- 层厚度 - 更精细的图层可提高分辨率，但会降低构建速度
- 建造温度 - 温度越高，残余应力越小，但精度越低
- 熔池大小 - 影响局部微观结构和性能
- 原料 - 粉末粒度分布和形态影响密度和表面光洁度
通过控制这些参数，可以针对特定应用调节性能和质量。
EBM 零件的后处理
常见的 EBM 零件后处理步骤包括
- 除粉 - 喷砂去除内腔中多余的粉末
- 缓解压力 - 热等静压有助于减少残余应力
- 截止日期 - 用电火花线切割机床从模板上切割零件
- 加工 - 数控铣、车、钻，以实现尺寸精度和表面光洁度
- 抛光 - 用于珠宝和医疗植入物等视觉部件的光泽表面处理
- 涂料 - 涂上耐磨、低摩擦或美观的涂层
- 质量测试 - 测量机械性能、内部缺陷和微观结构
尽量减少后处理可降低零件总成本。但关键应用可能需要大量的精加工才能满足规格要求。
环境管理质量控制
严格的 EBM 生产质量控制程序包括
- 原料检测 - 筛分分析、流速测试和原料粉显微镜检查
- 过程监控 - 熔池尺寸、粉末床温度、真空度
- 尺寸检查 - 关键尺寸的坐标测量机和其他计量检查
- 机械测试 - 拉伸、压缩、微硬度、断裂韧性、疲劳
- 非破坏性评估 - X 射线计算机断层扫描检查内部缺陷
- 金相学 - 利用光学和电子显微镜进行微结构表征
- 密度分析--阿基米德法或氦气比重法，以验证密度≥ 99.5%
- 表面粗糙度测量 - 用光学轮廓仪量化表面纹理
- 化学分析--ICP 和质谱验证成分
- 验证构建 - 用于验证新部件工艺参数的测试构建
这种全面的测试可验证 EBM 产品的质量，以满足严格的工业应用要求。
成本建模 EBM 快速成型制造
总费用取决于
- 机器成本 - 资本设备投资高
- 材料成本 - 粉末原料成本/公斤
- 运营成本 - 人工、能源、维护、惰性气体
- 后期处理 - 额外的机加工和精加工
- 建造速度 - 加快建造速度，降低成本
- 使用率 - 更高的机器使用率可将成本分摊到更多部件上
- 买飞比 - 未使用的粉末必须回收，增加了成本
- 零件几何形状 - 紧凑型部件可最大限度地利用建造体积
- 建筑体积 - 更大的机器可实现更高的吞吐量
- 规模经济 - 大批量生产降低了单件成本
随着产量的增加和多余粉末的再利用，成本大幅下降。
选择 EBM 快速成型制造供应商
选择企业内容管理服务提供商的标准：
- 经过验证的系统安装和客户推荐
- 在航空航天、医疗和工业应用领域拥有丰富的认证经验
- 钛、铬镍铁合金、钴铬合金等各种合格材料
- 质量管理体系认证 - ISO 9001、AS9100
- 严格的质量控制测试程序
- 标准粉和特种粉库存
- 二次内部加工和精加工能力
- 设计支持和建造模拟服务
- 拥有冶金专业知识的专业工程师
- 大构建包络面，实现高吞吐量
- 以透明的方式传达具有竞争力的定价结构
- 能够管理 ITAR 和其他受管制项目
- 就在附近，可进行面对面的会议和合作
在受监管行业拥有良好记录的成熟服务提供商往往最能满足严格的质量要求。
EBM 与其他 AM 方法的优缺点
EBM 的优势：
- 完全致密的金属部件可与锻造部件媲美
- 朝上的表面具有良好的表面光洁度
- 与激光工艺相比，制造率高
- 与激光粉末床熔化相比，残余应力低
- 成品部件具有优异的机械性能
- 熔池控制实现微观结构精细化
- 惰性建造条件是钛等活性金属的理想选择
- 成本效益高，适用于中高产量
EBM 的缺点：
- 设备成本高于聚合物系统
- 与激光 PBF 相比，材料选择有限
- 需要训练有素的操作员的受控过程
- 通常需要大量的后期处理
- 消耗大量电力
- 最大零件尺寸受构建包络线限制
- 活性金属粉末的处理和再循环
- 轮廓精度低于机加工或锻造零件
对于中大批量的金属部件生产，EBM 能够以合理的成本提供高强度和高质量。但这需要经验来掌握工艺。
EBM 与 DMLS 和 SLM 的比较
EBM 与 DMLS：
| 参数 | EBM | DMLS |
|---|---|---|
| 光束源 | 电子束 | 光纤激光器 |
| 原子球 | 真空 | 惰性气体 |
| 典型材料 | 钛合金、钽、铬镍铁合金 | 不锈钢、钴铬合金、铝 |
| 建造率 | 高 | 中型 |
| 表面处理 | 中度 | 非常高 |
| 每个部件的成本 | 中度 | 高 |
| 最大部件尺寸 | 大型 | 中型 |
EBM 与 SLM：
| 参数 | EBM | SLM |
|---|---|---|
| 光束源 | 电子束 | 光纤激光器 |
| 氛围 | 真空 | 惰性气体 |
| 典型材料 | 钛、钽、铬镍铁合金 | 铝合金、钢、镍合金 |
| 残余应力 | 低 | 高 |
| 机械性能 | 优秀 | 非常好 |
| 每个部件的成本 | 中度 | 低 |
| 准确性 | 中度 | 高 |
常见问题
使用 EBM 技术可以加工哪些材料？
最常见的 EBM 材料是钛合金、镍合金（如铬镍铁合金）、钴铬合金和一些工具钢。最近也开始采用耐火金属和铝合金。
使用 EBM 系统可以达到多大的层厚？
EBM 设备可沉积厚度达 50 微米的层。25-35 微米的较薄层通常用于复杂的小部件，而 70-100 微米则用于较大的粗糙部件。
EBM 组件使用哪些后处理方法？
典型的后处理包括粉末去除、应力消除、板材切断、机加工、磨削或抛光等表面处理以及检查和测试。
EBM 零件的精度和表面光洁度如何？
尺寸精度约为±0.2%（每 25 厘米±0.5 毫米），但可通过后置加工进一步提高公差。成品表面粗糙度范围为 10-50 μm Ra。
在航空航天应用方面，EBM 与 DMLS 相比有何优势？
EBM 可以与传统锻造钛部件的材料特性相匹配，用于结构应用。与 DMLS 相比，它的制造率更高，但通常需要更多的后处理工序。