概述 电子束熔化机
电子束熔融（EBM）是一种快速成型制造技术，用于在真空条件下使用高功率电子束将金属粉末逐层熔融成完全致密的部件。EBM 设备具有其他金属三维打印方法无法比拟的制造速度和机械性能。
EBM 技术的主要特征包括
表 1：电子束熔化技术概述
| 属性 | 说明 |
|---|---|
| 热源 | 高强度电子束 |
| 环境 | 高真空 |
| 原料 | 金属粉末床 |
| 光束控制 | 电磁透镜和线圈 |
| 构建模式 | 逐层金属粉末熔化 |
| 应用 | 航空航天、医疗、汽车、工具 |
通过利用精确的光束聚焦和快速扫描，EBM 可将钛合金、镍合金、工具钢和难熔金属等导电材料熔合成完全致密的部件，其卓越性能只有锻造产品才能与之媲美。
受控真空环境可防止污染，而智能能量传输和高预热温度可最大限度地减少导致翘曲或裂纹的残余应力。
了解这些核心原则有助于说明为什么 EBM 能够为最苛刻的工业应用提供量身定制的卓越机械性能。
电子束熔化系统的类型
市场上有多种类型的 EBM 系统，可提供满足不同行业需求的构建量、光束功率级别和生产能力。
表 2：电子束熔化系统的类型
| 机器类 | 建筑尺寸 | 光束功率 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 小型平台 | 150 毫米立方体 | 3-4 千瓦 | 牙套、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 | 汽车部件、大型航空航天部件 |
| 大型平台 | 800 x 800 x 500 毫米 | 30-60 千瓦 | 结构支架、涡轮叶片 |
对于航空航天或汽车等行业来说，大型设备可以加工更大的部件，以优化装配。小型、低功率系统则针对牙科和更广泛的医疗领域的高价值部件。
目前，大多数 EBM 提供商都提供模块化架构，允许扩展容量、构建量和光束功率，以满足随着时间推移而不断提高的生产需求。
电子束熔化工艺的基本原理
EBM 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 | 分发新鲜材料层 | 粉料斗和粉耙 |
| 2.光束生成 | 产生并加速电子束 | 钨丝阴极，阳极电压 |
| 3.光束聚焦 | 电磁铁汇聚光束 | 磁性线圈透镜 |
| 4.横梁挠度 | 直接聚焦光束位置 | 偏转线圈 |
| 5.真空系统 | 确保无污染环境 | 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 |
这些子系统的集成操作使 EBM 能够高效地利用金属粉末原料逐层制造零件：
- 快速光束偏转和扫描，以极快的速度精确熔合材料
- 真空环境可去除气体，防止污染
- 自动粉末分配确保高密度
- 反馈传感器提供尺寸精度
- 强大的控制功能可对整个构建过程进行排序
在真空生产环境中，将纯金属粉末耗材与高强度束热源相结合，可提高以前无法实现的材料性能。
掌握这些基本原则有助于买家选择符合其生产效率、质量和应用要求的最佳 EBM 系统。
主要规格 电子束熔化机
在购买用于金属增材制造的 EBM 设备时，买家必须根据其生产目标和设备限制来评估许多性能驱动规格。
表 4：主要电子束熔化机规格
| 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 | 生产率、分层次数 |
| 斑点大小 | 50-200 μm | 分辨率、精细特征定义 |
| 光束电流 | 1-50 毫安 | 材料兼容性、调整优化 |
| 加速电压 | 30-150 千伏 | 熔池深度、剩余粉末 |
| 真空 | 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、最终密度 |
光束功率、扫描速度、最小特征尺寸和粉末层厚度等因素决定了根据生产率目标和应用要求选择合适的设备。
其他主要考虑因素包括
- 控制软件 - 自适应构建设置工具、自动化、数据分析/监控能力
- 材料调色板 - 显示应用范围的预认证材料数量
- 辅助设备 - 辅助粉末处理工具、后处理、热处理炉
- 服务 - 维护合同、应用优化协助、操作员培训、机器运输
根据当前和未来的预期对规格进行评估，有助于对 EBM 能力进行明智的投资。
采用电子束熔化技术的经济效益
除了平均 1TP480 万到 1TP450 万的设备购置成本外，制造企业还必须对内部 EBM 的整个生产经济性进行建模。
表 5：EBM 加工经济性概述
| 成本要素 | 范围 |
|---|---|
| 机器平台 | $800,000 至 $2,500,000 |
| 设施基础设施 | $100,000 至 $500,000 |
| 安装服务 | $50,000 至 $250,000 |
| 辅助粉末处理工具 | $50,000 至 $150,000 |
| 每年材料使用量 | $100,000 至 $800,000 |
| 消耗品/替换零件 | $20,000 至 $100,000 |
| 劳动力（操作员、工程师） | 每个系统 1 至 3 名技术人员 |
| 能源消耗 | $15,000 至 $50,000 |
| 维护合同 | $50,000 至 $150,000 |
除了工业平台的设备购置费从 $80 万到超过 $200 万不等之外，影响运营成本和盈利能力的其他变量还包括：
- 材料使用 - 金属粉末对每个零件成本的贡献高达 30%
- 劳动 - 人工与自动后处理需求所决定的人员配置要求
- 设施 - 安装服务、安全和公用事业费用增加
- 维护 - 预防性维护对生产量和质量至关重要
- 优化 - 平衡生产率与缺陷率和人工干预之间的关系
在获取 EBM 能力之前对这些因素进行分析，有助于制定切合实际的业务规划。精确的成本建模和生产方案分析提高了风险和盈利前景的可视性。
EBM 常用材料
凭借严格控制的真空环境和高光束强度，EBM 可以加工反应性合金、难熔合金和定制合金，这是传统方法难以实现的。
**表 6：利用 EBM 优点的常见合金系统 **
| 材料类别 | 合金示例 | 应用 |
|---|---|---|
| 钛合金 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 航空机身和发动机 |
| 镍超合金 | 铬镍铁合金 718、铬镍铁合金 625 | 涡轮叶片、火箭喷嘴 |
| 工具钢 | 马氏体300，H13 | 注塑模具、模具板 |
| 钴铬合金 | 钴铬钼合金、钴铬钨合金 | 医疗和牙科植入物 |
| 难熔金属 | 钽、钨 | 高温炉元件、屏蔽 |
最常用的 EBM 合金体系仍然是用于结构部件的钛合金、用于极端环境的镍超合金以及医用级钴铬配方。
然而，EBM 还能利用铝或铌等很少能用其他方法加工的活性金属进行创新。与灵活的粉末混合选项相结合，研究机构可以利用 EBM 的优势，根据特定的性能要求设计新的合金成分。
电子束熔化的优点
除了其他粉末床熔融技术无法比拟的极快成型速度外，EBM 还具有其他技术和经济优势，使其成为关键商业和国防应用的理想工艺。
**表 7：电子束熔化的主要优点 **
| 益处 | 说明 |
|---|---|
| 高沉积率 | 构建速度比激光系统快 10 倍 |
| 卓越的材料性能 | 超越铸造或锻造替代品的改进 |
| 生产密度高 | 真空环境下的高光束能量接近 100% |
| 极低的残余应力 | 70-90% 变形较小，减少了加工余量需求 |
| 卓越的重复性 | 自动化建筑的严格公差和机械性能 |
| 设计自由 | 内部通道、仿生结构、减轻重量 |
| 部分合并 | 组装成单一组件 |
EBM 带来价值的具体实例包括
生产率
- 利用更大的制造量，同时生产更多组件，将髋关节植入组件的制造速度提高 5 倍
- 通过 EBM 优化工作，将航空起落架部件库存从 30 个部件整合为 2 个部件
性能
- 与铸造相比，钴铬牙科盖具有更好的抗疲劳性
- 从传统的镍超合金铸件中获得完全无气孔缺陷的更清洁的 Inconel 718 微结构
质量
- 通过高预热，确保 Ti-6Al-4V 医疗部件零内应力，降低废品率
- 利用真空加工环境防止活性钽和铌合金中的污染缺陷
得益于更快的构建速度和其他金属 AM 或传统技术无法实现的优异材料特性，EBM 成为了对机械性能要求最高的生产应用的首要解决方案。
概述 电子束熔化机 供应商
各种老牌工业制造商和专业的新进入者提供电子束熔化解决方案，从研究到大批量生产，涵盖航空航天、医疗、汽车和工业领域。
表 8：领先的电子束熔化系统制造商
| 供应商 | 详细信息 | 目标细分市场 |
|---|---|---|
| 通用电气添加剂 | 率先采用 EBM 技术 | 航空航天、医疗、汽车 |
| Sciaky | 最大信封尺寸 | 航空航天结构 |
| 韦兰添加剂 | 经济型金属 AM 平台 | 小型机械加工厂 |
| JEOL | 研究级 EBM 系统 | 大学 |
| 纳米尺寸 | 多种材料能力 | 电子、国防 |
行业领军企业 Arcam EBM 现已成为通用电气添加剂公司的一部分，凭借专利解决方案确立了早期的领先地位，并继续在医疗植入物和航空航天领域占据主导地位。
与此同时，像 Wayland 这样的新进入者旨在通过经济的起步平台，以中小型制造商为目标，扩大采用范围。
生产商、研究人员和最终用户团体之间在材料、零件鉴定和机器优化方面的合作最终将扩大 EBM 在更多关键应用领域的渗透。
电子束熔化技术的未来应用前景
在优越的生产速度能力和其他金属添加或传统工艺无法比拟的卓越机械性能的推动下，EBM 的应用在未来 5-7 年内将在航空航天、医疗设备、汽车和工业领域得到大规模扩展。
随着企业利用 3D 打印技术重塑供应链，人们对 EBM 好处的广泛认识有望推动设备投资，从原型开发到全面生产。
现在商业上可获得的更大的制造包络面还可将组件合并为更少的部件，从而进一步优化库存物流和交付周期。
然而，系统成本的下降和材料供应的增加必须继续改善小型制造商对 EBM 技术的使用。简化辅助粉末处理工具和后处理工作流程也将简化采用过程。
总体而言，与其他金属添加剂或传统制造工艺相比，EBM 凭借无与伦比的沉积率和卓越的材料性能，保持着向越来越广泛的生产应用渗透的强劲势头。
常见问题
问：支持企业成本管理需要哪些设施基础设施？
答：机器本身预计需要 500 多平方英尺，粉末处理站和后处理需要更多空间。混凝土地面加固通常可承受 12,000 多磅的设备负荷。
问： 每台 EBM 设备需要多少名操作员？
答：根据自动化程度和产量，一名技术人员可支持多台 EBM 设备。其他员工负责粉末操作、后处理任务、维护和工程设计。
问：哪些材料不能用 EBM 技术处理？
答：非导电聚合物不能用电子束加工。但电子束制造几乎可以加工任何导电金属合金系统。
问： EBM 技术有哪些安全风险？
答：高功率电子束电压带来弧闪风险，需要适当的外壳和控制措施。接触反应性金属粉末也有火灾和吸入危险，需要防护设备和培训。
问： EBM 是否需要二次热处理？
答：某些合金可通过热处理进一步增强微观结构和调整机械性能。然而，EBM 工艺固有的快速凝固周期和高预热温度通常可以省去这些后处理步骤。
