电子束熔化 (EBM) 是一种常用于金属三维打印的增材制造技术。EBM 使用强大的电子束作为热源，有选择性地逐层熔化金属粉末，直接根据 CAD 数据制造出完全致密的零件。
与激光工艺等其他金属三维打印方法相比，EBM 在制造速度、材料特性、质量和成本效益方面具有一些独特的优势。不过，它在分辨率、表面光洁度和材料选择方面也有一些局限性。
本指南详细介绍了电子束熔化技术，包括
- EBM 如何运作
- 设备类型和主要部件
- 材料和应用
- 设计考虑因素
- 工艺参数
- 优势和局限性
- 供应商比较
- 操作指南
- 成本分析
- 选择合适的企业内容管理系统
电子束熔化的工作原理
EBM 工艺在充满惰性氩气的高真空室中进行。金属粉末通过耙子薄薄地铺在构建平台上。电子枪发出的电子束根据 CAD 模型的切片数据，有选择性地熔化每个粉末层。
每增加一层，构建平台就会逐渐降低。由于粉末床熔融技术与几何形状无关，因此无需支撑结构即可直接在平台上制作部件。完成后，多余的粉末被清除，露出固体 3D 打印部件。
电子束的高能量密度可导致快速熔化和凝固，从而实现高制造率。EBM 工艺在高达 1000°C 的高温下进行，从而减少了残余应力和变形。
使用 EBM 打印的部件密度超过 99%，材料性能可与传统制造工艺媲美或更胜一筹。
EBM 设备类型和组件
企业经营管理系统包含以下主要组成部分：
电子枪 - 产生聚焦的高能电子束
光束控制 - 电磁铁引导和偏转电子束
高压电源 - 可将电子加速至 60kV
真空室 - 提供高真空环境
粉末分配 - 沉积和铺展金属粉末层
粉盒/跳线 - 储运粉末
搭建平台 - 随着层数的增加而逐渐降低
加热线圈 - 粉末床预热至 1000°C
控制台 - 计算机和软件操作系统
商用 EBM 机器有几种不同的类型：
| EBM 系统 | 建筑围护结构 | 光束功率 | 层厚 |
|---|---|---|---|
| Arcam A2X | 200 x 200 x 380 毫米 | 3 千瓦 | 50-200 微米 |
| Arcam Q10plus | 350 x 350 x 380 毫米 | 5.4 千瓦 | 50-200 微米 |
| Arcam Q20plus | 500 x 500 x 400 毫米 | 7 千瓦 | 50-200 微米 |
| Arcam Spectra L | 275 x 275 x 380 毫米 | 1 千瓦 | 50-200 微米 |
| Sciaky EBAM | 1500 x 1500 x 1200 毫米 | 15-60 千瓦 | 200 微米 |
更大的构建包络面和更高的光束功率可实现更快的构建速度、更大的零件和更高的生产率。较小的机器往往具有更精细的分辨率和表面光洁度。
EBM 材料和应用
EBM 最常用的材料有
- 钛合金，如 Ti-6Al-4V
- 镍基超级合金，如铬镍铁合金 718 和铬镍铁合金 625
- 钴铬合金
- 工具钢，如 H13、马氏体时效钢
- 铝合金
- 铜合金
- 不锈钢，如 17-4PH、316L
EBM 的主要应用包括
- 航空航天 - 涡轮叶片、叶轮、结构支架
- 医疗 - 骨科植入物、假肢
- 汽车 - 赛车运动部件、工具
- 工业 - 流体处理部件、热交换器
- 模具 - 注塑模具、压铸模具、挤压模具
EBM 在这些应用中的优势包括
- 高强度和抗疲劳性
- 带有晶格和内部通道的复杂几何体
- 金属部件交货期短
- 将组件合并为一个部件
- 轻量化和设计优化
- 部件定制和个性化
EBM 设计考虑因素
EBM 在设计上有一些限制：
- 最小壁厚为 0.8-1 毫米，以防塌陷
- 无下凹或水平悬挑
- 最大 45° 无支撑悬挑
- 直径最小为 1 毫米的开放式内部通道
- 精细特征分辨率限于 0.5-1 毫米
设计应避免陡峭的热梯度，以尽量减少残余应力：
- 壁厚均匀
- 断面厚度的渐变
- 大体积内部支撑和网格
机加工、钻孔和抛光等后处理可提高表面光洁度。
EBM 工艺参数
关键的 EBM 工艺参数：
- 电子束 - 光束电流、聚焦、速度、模式
- 粉末 - 材料、层厚度、颗粒大小
- 温度 - 预热、构建温度、扫描策略
- 速度 - 点距、等高线速度、舱口速度
这些参数控制着密度、精度、表面光洁度和微观结构等特性：
| 参数 | 典型范围 | 对部件性能的影响 |
|---|---|---|
| 光束电流 | 5-40mA | 能量输入、熔池大小 |
| 光束速度 | 104-107 毫米/秒 | 能量密度、冷却速率 |
| 层厚 | 50-200μm | 分辨率、表面粗糙度 |
| 建造温度 | 650-1000°C | 残余应力、变形 |
| 扫描速度 | 500-10,000 毫米/秒 | 表面光洁度、气孔率 |
| 扫描模式 | 棋盘，单向 | 各向异性、密度 |
需要对这些参数进行精确调整，以实现每种合金的最佳材料特性和精度。
电子束熔化的优势
EBM 的主要优势包括
- 高成型率 - 最多可达 80 立方厘米/小时
- 全致密部件--密度超过 99%
- 优异的机械性能--强度、硬度和抗疲劳性
- 高精度和可重复性 - ±0.2 毫米的精度
- 只需最少的支持 - 减少后期处理
- 高温构建 - 减少残余应力
- 低污染 - 高纯度真空环境
快速的扫描速度导致快速的熔化和凝固循环，从而产生细粒度的微观结构。分层制造法生产出的零件具有与锻造相媲美的性能。
电子束熔化的局限性
EBM 的缺点包括
- 分辨率有限 - 最小特征尺寸 ~0.8 毫米
- 粗糙的表面处理 - 梯级效果，需要修饰
- 受限材料 - 目前主要是钛合金、镍合金和钴铬合金
- 设备成本高 - 每台机器 $350,000 至 $1 百万以上
- 预热时间较慢--1-2 小时才能达到构建温度
- 污染风险--锆会污染活性合金
- 粉末管理 - 回收、处理细粉
- 视线要求 - 水平悬挑不可能
各向异性的分层构建模式和烧结粉末层产生的 "阶梯 "效应在朝上的表面形成了明显的条纹。电子束只能在直视下熔化材料。
EBM 设备供应商
主要的 EBM 设备制造商包括
| 供应商 | 机型 | 材料 | 光束功率 | 价格范围 |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM（通用电气） | A2X、Q10plus、Q20plus | 钛、镍、钴铬合金 | 3-7 千瓦 | $350,000-$800,000 |
| Sciaky | EBAM 300、500 系列 | 钛、铝、铬镍铁合金、钢 | 15-60 千瓦 | $50 万-$150 万 |
| slaM | slm280 | 铝、钛、钴铬合金、工具钢 | 5kW | $500,000-800,000 |
| JEOL | JEM-ARM200F | 镍合金、钢、钛 | 3 千瓦 | $700,000-900,000 |
Arcam EBM 系统具有最广泛的材料能力，而 Sciaky 则提供大规模生产解决方案。SLM Solutions 和 JEOL 也提供侧重于金属的 EBM 技术。
运行 EBM 系统
操作 EBM 机器：
- 为 EBM 设备安装适当的电源、冷却装置、惰性气体和排气装置。
- 将 CAD 数据载入 EBM 软件并输入建造参数
- 筛分金属粉末并装入粉盒
- 将粉末床预热到加工温度
- 校准电子束焦点和功率
- 在光束扫描和熔化粉末时开始分层构建
- 从机器中取出部件前，让其慢慢冷却
- 用真空吸尘器清除多余的粉末
- 从构建板上切割部件并进行后处理
正确的粉末处理和储存对于避免污染导致缺陷至关重要。此外，还必须定期维护光束丝、粉末过滤器和真空系统。
EBM 加工成本分析
EBM 生产的成本因素：
- 机器折旧 - ~15-20% 零件总成本
- 劳动 - 机器操作、后处理
- 粉末 - $100-500/kg 用于钛合金
- 电源 - 施工期间用电量大
- 氩气 - 日吹扫气体消耗量
- 维护 - 光束源、真空系统、耙
- 后期处理 - 支架拆除、表面处理
通过在一次生产中批量生产较小的零件，可以实现规模经济。大型设备生产零件的速度更快，成本效益更高。高昂的前期系统成本可以分摊到更多的零件上。
对于小批量生产，外包给服务局可最大限度地减少设备开销。
如何选择 EBM 系统
选择 EBM 机器的主要考虑因素：
- 建造围护结构 - 与零件尺寸要求相匹配
- 精确度 - 最小特征尺寸和表面光洁度要求
- 材料 - 应用所需的合金
- 吞吐量 - 日/月产量目标
- 电源要求 - 可用供电能力
- 软件 - 易用性、灵活性、数据格式
- 后期处理 - 完成时间和成本
- 培训和支持 - 安装、运行、维护
- 总成本 - 系统价格、运营费用、粉末
在不同的 EBM 系统上进行样品部件测试，以评估实际部件的质量和经济性。
在符合预算和空间限制的情况下，投资于最大的建造外壳，以便将来扩展。与能够提供持续技术支持的知名供应商合作。
常见问题
问：EBM 的准确性如何？
答：EBM 零件的尺寸精度和公差通常为 ±0.2 毫米。精细度可达 0.3 毫米。
问：除了金属，还有哪些材料可用于 EBM？
答：EBM 只限于导电金属合金。由于电子束能量源的原因，目前还不能加工光聚合物和陶瓷。
问：企业经营管理需要任何支持吗？
答：由于粉末床熔化与几何形状无关，因此悬角小于 45° 的 EBM 不需要支撑结构。对于大型空心型材，最小的内部支撑可能会有所帮助。
问：表面光洁度如何？
答：由于粉末层和扫描轨迹的影响，EBM 零件的成品表面相对粗糙。需要进行各种加工、打磨或抛光，以提高表面光洁度。
问：与其他 3D 打印工艺相比，EBM 的成本有多高？
答：EBM 设备的前期成本较高，从 $35 万到超过 $100 万不等。但是，高构建速度可以通过大规模降低零件成本来抵消这一成本。与其他金属三维打印方法相比，每个零件的加工成本具有竞争力。
问：是否需要对 EBM 零件进行任何后处理？
答：大多数 EBM 零件都需要进行一些后处理，如从构建板上切割、消除应力、表面加工、钻孔、打磨或抛光，以实现最终的零件光洁度、公差和外观。可能还需要少量的手工修整，以去除锐利边缘或减少粗糙度。