概述 电子束熔化设备 技术
电子束熔融设备是一种快速成型制造技术，用于在真空环境中利用高功率电子束将金属粉末逐层熔融在一起。电子束熔融设备在成型率、零件密度、残余应力和机械性能方面具有其他金属三维打印方法无法比拟的能力。
电子束熔化技术的主要特点包括
表 1：电子束熔化特性概述
| 属性 | 详细信息 |
|---|---|
| 热源 | 高功率电子束 |
| 环境 | 高真空 |
| 原料 | 金属粉末床 |
| 光束控制 | 电磁透镜/偏转线圈 |
| 构建模式 | 逐层金属融合 |
| 应用 | 航空航天、医疗、汽车、模具 |
EBM 设备可将导电材料快速熔化成完全致密的部件，其材料性能相当于或优于传统制造方法。
受控的真空环境和智能能量传输最大程度地减少了加工过程中的氧化或污染问题。这有助于实现极高的密度和出色的结构完整性，是关键应用的完美选择。
通过利用高光束功率快速扫描每一层，EBM 可以实现极快的构建速度，这是激光系统无法达到的。这种生产率上的优势是推动技术应用的关键因素。
类型 电子束熔化设备 系统
市场上有多种类型的 EBM 设备，针对不同的应用提供不同的构建包络尺寸、光束功率等级和生产能力。
表 2：电子束熔化设备类型
| 机器类 | 建筑尺寸 | 光束功率 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| 小信封 | 150 x 150 x 150 毫米 | 3-4 千瓦 | 牙科、医疗器械 |
| 标准平台 | 200 x 200 x 350 毫米 | 6-8 千瓦 | 航空航天部件、工具 |
| 中端平台 | 400 x 400 x 400 毫米 | 14-16 千瓦 | 汽车、大型飞机零部件 |
| 大信封 | 800 x 800 x 500 毫米 | 30-60 千瓦 | 结构支架、涡轮叶片 |
较大的设备尺寸有利于航空航天和汽车等行业生产较大的部件，从而减少装配部件数量。较小、功率较低的设备主要针对医疗和牙科领域的高价值应用。
大多数 EBM 系统制造商都提供模块化设备架构，以便随着客户采用和应用要求的提高而扩展容量、光束功率和制造量。
电子束熔化技术基础
电子束增材制造所涉及的核心子系统和加工步骤包括
表 3：电子束熔化基本原理概述
| 舞台 | 功能 | 主要组成部分 |
|---|---|---|
| 1.粉末处理 | 送入新的材料层 | 粉料斗和粉耙 |
| 2.光束生成 | 产生/加速电子束 | 钨丝阴极，阳极电压 |
| 3.光束聚焦 | 电磁学会聚光束 | 磁性线圈透镜 |
| 4.偏转 | 直接聚焦光束位置 | 偏转线圈 |
| 5.真空系统 | 确保无污染环境 | 扩散泵、阀门、传感器 |
| 6.控制系统 | 协调和监督所有职能 | 计算机、软件、传感器 |
EBM 设备需要这些子系统的集成运行，才能有效地利用金属粉末逐层制造零件：
- 高速光束偏转可精确引导熔融区域穿过每个粉末床层
- 真空可去除气体污染物，防止材料氧化/硝化
- 粉耙可有效铺撒新鲜材料，确保密度
- 闭环传感器提供反馈，确保尺寸精度
- 强大的计算机控制协调着建造过程的方方面面
纯金属粉末耗材与真空室内高强度能量源的独特组合，可实现快速熔化和凝固，从而获得优异的冶金性能。
了解这些基本原则有助于采购商选择最适合其目标的设备，无论是最大限度地提高生产率、零件质量、运营成本还是应用要求。
电子束熔化机的规格
在选择最符合其生产需求和运行条件的 EBM 设备时，采购商必须考虑许多性能驱动规格。
表 4：主要电子束熔化设备规格
| 参数 | 典型范围 | 重要性 |
|---|---|---|
| 光束功率 | 3-60 千瓦 | 生产率、最大零件尺寸 |
| 光束速度 | 最高 8 米/秒 | 层数、生产率 |
| 斑点大小 | 50-200 μm | 分辨率、精细特征定义 |
| 当前 | 1-50 毫安 | 材料兼容性、光束优化 |
| 加速电压 | 30-150 千伏 | 穿透深度，未熔粉末 |
| 真空度 | 5 x 10-5 毫巴 | 纯度、材料完整性 |
| 粉末层厚度 | 50-200 μm | 垂直分辨率、密度 |
了解光束功率、扫描速度、光斑尺寸和最小层厚等规格后，就能根据预期应用和产量目标选择合适的机器。
影响系统选择的其他重要因素包括
- 控制软件： 具有高效的构建设置功能、用于参数开发的优化工具、监控/分析功能以及与下游 CAD/CAM 数字工作流程的兼容性。
- 材料调色板： 原始设备制造商提供的合格材料数量决定了设备的应用范围。优先选择的金属包括钛、镍超合金、工具钢、不锈钢、钴铬合金和铝。
- 辅助设备： 对辅助粉末处理工具、后处理站、筛分工具、外部热处理、HIP 炉和粉末回收系统的要求。
- 服务 维护合同、应用优化协助、操作员培训服务和设备搬迁规定的价值。
根据当前和未来的生产需求对机器规格进行仔细评估，有助于对 EBM 能力做出适当的投资决策。
电子束熔化工艺经济学概述
除了单纯的设备购置成本外，制造企业还需要对与 EBM 技术上线相关的整个生产经济性进行切合实际的预测。
表 5：EBM 加工经济性概述
| 成本要素 | 典型范围 |
|---|---|
| 机器采集 | $800,000 至 $2,500,000 |
| 安装 | $50,000 至 $250,000 |
| 设施基础设施 | $100,000 至 $500,000 |
| 辅助粉末设备 | $50,000 至 $150,000 |
| 年度材料 | $100,000 至 $800,000 |
| 易损件 | $20,000 至 $100,000 |
| 操作工 | 每个系统 1 至 3 名操作员 |
| 能源消耗 | $15,000 至 $50,000 |
| 维护合同 | $50,000 至 $150,000 |
设备价格从启动系统的约 1TP480,000 到大型工业解决方案的 1TP42500,000 不等，设备只是整个投资等式中的一部分。
影响运营利润率和投资回报率计算的其他关键变量包括
- 材料使用： 粉末高达 30% 的零件总成本堆栈，优化购买：制造策略和重复利用率。
- 劳动 手动与自动粉末/零件处理会影响人员需求。追求生产优化，最大限度地延长无人值守运行时间。
- 设施： 安装、能源、环境控制和辅助设备的费用都会增加。还要考虑安全、公用事业和合规成本。
- 维护： 预防性维护对正常运行时间、生产质量和设备寿命至关重要。权衡 OEM 与内部服务选项。
在获得 EBM 生产能力之前分析这些成本因素有助于制定切合实际的业务规划。利用实际性能数据对零件生产方案进行建模，可提高财务风险和盈利前景的可视性。
电子束熔化常用材料
高光束强度和真空环境使 EBM 适用于加工其他添加剂方法或铸造工艺难以熔化的活性合金和难熔合金。
表 6：电子束熔化常用材料
| 材料类别 | 合金实例 | 应用 |
|---|---|---|
| 钛合金 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 航空航天结构 |
| 镍超合金 | 铬镍铁合金 718、铬镍铁合金 625 | 涡轮叶片、排气系统 |
| 工具钢 | H13，马氏体 300 | 注塑模具、模具 |
| 钴铬合金 | 钴铬钼合金 | 医疗/牙科植入物 |
| 不锈钢 | 17-4PH, 316L | 需要耐腐蚀性 |
| 奇特的定制合金 | 铜、铝、钽、钨、钼 | 电子、研究 |
最受欢迎的 EBM 材料仍然是用于轻型航空航天部件的钛合金、用于耐极端温度的镍超合金以及用于生物兼容植入物的医用级钴铬。
然而，粉末床熔融技术的灵活性实际上可适用于任何合金体系，包括铝或难熔金属等活性元素，这些元素在使用传统方法进行熔融时会遇到困难。这促进了电子热管理、光谱元件和 1000°C 以上高温应用等领域的创新。
由于真空加工环境减少了污染问题，材料的质量和完整性与同类 AM 或铸造工艺相比都非常出色。
电子束熔化技术的优势
除了其他粉末床技术无法比拟的极高成型率外，EBM 还具有其他优势，使其成为航空航天、医疗和工业领域关键应用的首选工艺。
表 7：电子束熔化的主要优点
| 益处 | 说明 |
|---|---|
| 高密度 | 高光束能量和真空度接近 100% |
| 卓越的材料性能 | 超越铸造或锻造的改进 |
| 高沉积率 | 构建速度比激光系统快 10 倍 |
| 低残余应力 | 70-90% 减少变形或开裂 |
| 设计自由 | 复杂几何图形的简化 |
| 购买：定制 | 将多个部件组合成一个复杂的组件 |
与传统制造相比，企业经营管理能带来价值的具体实例包括
生产率
- 生产铬镍铁合金 718 涡轮叶片的速度是精密铸造技术的 10 倍。
- 由于制造量较大，可同时生产多达 10 个髋关节植入物。
- 利用自动化粉末处理和作业排队，实现全天候熄灯生产。
性能
- 创造出具有卓越强度重量比的 Ti-6Al-4V 卫星支架。
- 钴铬合金牙桥具有卓越的美观度和精确度。
- 制造具有保形冷却功能的 H13 模具，延长注塑模具的使用寿命。
质量
- 实现更清洁的材料微观结构，完全消除铸造过程中常见的微孔缺陷。
- 由于预热温度高，可确保零内应力和零变形。
- 利用高真空环境防止活性材料受到污染。
电子束技术所带来的独特熔化条件一再证明，对于要求材料性能卓越的高价值应用领域而言，电子束技术是最重要的 AM 解决方案。
热门 EBM 设备 供应商
各种成熟的工业组织和专业的初创公司都提供电子束熔化解决方案，以满足不同细分市场客户的不同需求。
表 8：领先的电子束熔化设备供应商
| 供应商 | 详细信息 | 目标细分市场 |
|---|---|---|
| Arcam EBM（通用电气添加剂） | 率先推出第一台 EBM 机器 | 航空航天、医疗、汽车 |
| Sciaky | 最大的建造包络面 | 航空航天结构 |
| JEOL | 研究级平台 | 大学 |
| 韦兰添加剂 | 预算系统 | 就业商店 |
| 6K | 低成本金属粉末 | 工艺开发 |
其他以传统增材制造以外的电子束应用为目标的设备制造商包括
- 佳能 - 电子束焊接解决方案
- PTR Group - 电子束炉和焊机
- IBE 服务 - 小型电子束焊机
- Teta - 高功率工业 EB 焊接
行业领导者 Arcam EBM（现隶属于通用电气添加剂公司）在 2002 年推出第一台商用 EBM 设备后，确立了在专利和市场份额方面的主导地位。目前，他们仍是航空航天、医疗器械、汽车和工业领域最重要的设备供应商。
大多数供应商利用与材料生产商、研究团体和最终用户组织的合作关系，不断改进 EBM 工艺能力，以满足实际生产需求。这些合作性的技术改进工作最终将在未来更多的关键行业应用中得到推广。
常见问题
问：需要多大的设施来容纳 EBM 设备？
答：小型设备的最小占地面积约为 100 平方英尺，但占地 500 多平方英尺的大型平台也很常见。另外 500 多平方英尺通常用于辅助粉末处理和后处理站。设备要求至少有 8 英尺高的天花板，重型设备负载超过 12,000 磅时需要加固。
问：哪些材料与 EBM 加工不兼容？
答：如果没有适当的惰性环境，铝合金会产生氧化风险。钨或铼等熔融温度超过 3600°C 的难熔金属仍然不适合使用。否则，EBM 可用于大多数合金系统。
问： 每台 EBM 设备需要多少名经过培训的操作员？
答：根据自动化程度和产量的不同，一名设备操作员通常可以管理多台 EBM 设备。还需要其他人员负责粉末操作、后处理、质量活动、维护和工程支持。
问： EBM 技术有哪些安全风险？
答：高压电子束会产生弧闪危险，需要适当的外壳和安全控制。接触反应性金属粉末的风险也需要防护设备和处理规程，以防火灾和健康危险。适当的培训至关重要。