了解电子束熔融技术的应用与发展

理解电子束熔融技术的概念和工艺原理；

了解电子束熔融技术的工艺特点；

熟悉电子束熔融技术的常用材料及其特性；

了解电子束熔融技术的应用领域；

了解国内外主要设备厂商。

学习内容

一、电子束熔融技术概述

电子束熔融（Electron Beam Melting，EBM）技术是20世纪90年代中期发展起来的一类新型的金属快速成型制造技术。与选区激光烧结和选区激光熔化工艺类似，它采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成型。电子束熔融（EBM）技术经过深度研发，现已广泛应用于快速原型制作、快速制造、工装和生物医学工程等领域。

电子束熔融设备与选区激光熔化设备相比，结构比较简单，主要包括电子束枪、成型舱和控制单元三个部分。如图3-28所示为电子束熔融典型企业瑞典Arcam AB公司生产的A2X型号设备。

电子枪是设备的核心组成部分，它固定于设备内部，主要由电子束单元、灯丝、光学线圈构成。电子束热源在此处生成。电子从一个丝极发射出来，当该丝极加热到一定温度时，就会放射电子。电子在一个电场中被加速到光速的一半，然后由两个磁场对电子束进行控制。第一个磁场扮演电磁透镜的角色，负责将电子束聚焦到期望的直径，第二个磁场则将已聚焦的电子束转向到成型舱内工作台上所需的加工区域。

图3-28　瑞典Arcam电子束熔融设备A2X结构示意图

成型舱主要由铺粉装置、升降台和隔热罩组成。铺粉装置由储粉舱、取粉器和刮刀组成，在设备打印过程中，取粉器将原材料金属粉末从储粉舱中输送到工作平面上，刮刀则将原材料粉末均匀铺展在升降工作台的电子束扫描成型区域。升降台是零件成型的工作区域。成型舱是零件最终成型的位置，打印结束后，从成型舱中能够获得最终零件。隔热罩是保护装置，在打印过程中，由于电子束能量高，高热量所产生的温度可达1 000℃以上，因此需要做好隔热保护。

控制单元主要负责设备在预处理过程、打印过程以及结束后的操作控制。

二、电子束熔融技术的成型原理

电子束熔融技术不需要二维运动部件，它利用电子束实时偏转，熔化铺在工作台面上的金属粉末，实现金属粉末的快速扫描成型。典型的电子束熔融技术的成型原理如图3-29所示。

具体成型原理如下：

①运用计算机辅助设计，在计算机上利用三维造型软件如Pro/E、UG、CATIA等设计出零件的三维实体模型。

②与选区激光熔化工艺相同，通过离散-堆积原理，根据工艺要求，利用切片软件将该三维模型按照一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，获得各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径。

③计算机逐层调入三维实体模型的路径信息，设备通过光学线圈控制电子束选择性熔化各粉层中对应区域的粉末，即成型零件在水平方向的二维截面，如此层层加工，直至整个三维零件实体制造完毕。

图3-29　电子束熔融成型工艺原理示意图

三、电子束熔融技术的工艺流程及参数

（1）电子束熔融技术的工艺流程

电子束熔融的基本工艺流程与选区激光熔化类似，主要包括原材料准备（粉末定制）、前期数据处理（包括原型设计、拓扑优化等）、电子束熔融成型、后处理以及产品应用认证五个环节。

①粉末定制：根据最终产品综合性能要求选择或者定制粉末材料。

②原型设计和拓扑优化：利用三维造型软件在计算机中生成零件的三维实体模型，将三维模型切片分层离散并规划扫描路径，得到可控制电子束扫描的路径信息。

③电子束熔融成型：通过成型舱的铺粉装置，先在铺粉平面上铺展一层粉末；上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈，电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转，按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下熔化在一起，并与上一层已成型的零件部分冶金结合。加工完后，成型舱下降一个切片层厚度，铺粉刮刀将金属粉末从取粉器处刮到台上，电子束将熔化新铺的粉层。重复上述过程，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成，获得与三维实体模型相同的金属零件。

④后处理：通过电子束熔融获得的金属零件残余应力低，去除多余的粉末便得到所需的实体产品。但还需要进行后处理，主要包括表面处理、无损检测及三维扫描两个部分。表面处理包括去除零件支撑、数控机床精加工、打磨抛光、喷砂等工艺；无损检测及三维扫描主要是利用X射线对零件进行无破坏的全尺寸检测，在零件缺陷要求严格的情况下，还需要对零件进行热等静压处理，以减少或者消除零件内部缺陷，到达使用要求，然后使用三维扫描仪进行尺寸检测确定是否达到产品要求。

⑤产品应用认证：通过模拟工作环境，产品循环使用寿命达到安全使用范围后，确定该零件制备成功。

（2）电子束熔融技术的工艺参数

电子束熔融在工艺参数方面与选区激光熔化差别较大，主要原因是热源改变，因此工艺参数有了较大变化，经过多年研究发现，对成型效果具有重要影响的主要工艺参数包括电子束功率、电子束光斑直径、扫描速度、铺粉厚度、扫描方式、真空度、支撑结构等。如图3-30所示为典型电子束熔融工艺示意图。

①电子束功率。

电子束是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压（25~300 kV）加速电场作用下被加速至很高的速度（0.3~0.7倍光速），经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流，具有高能量密度。通过调节加速电压和会聚电流，可以改变电子束能量，即改变电子束产生的能够熔化金属粉末的功率，最高可达3 000W。

图3-30　典型电子束熔融工艺示意图

②电子束光斑直径。

电子束轰击成型平台基板上所选择的区域，金属粉末会快速熔化形成微小的熔池，熔池大小受到光斑直径的影响。与激光束光斑相比（直径20~120μm），电子束光斑直径比较大，通常大于100μm，工业级设备光斑直径在200μm至1 000μm可调。相同电子束能量密度下，光斑直径越小，能量集中度越好，能够有效地熔化所选区域金属粉末，金属粉末快速熔化形成微小的熔池，获得致密的组织结构。因此，通过电子束熔融设备制备的零件外观粗糙度相对于选区激光熔化工艺要差，主要原因是光斑直径较大，影响零件精细程度。

③扫描速度。

扫描速度是指电子束光斑沿扫描轨迹运动的速度，单位mm/s或者m/s，与激光束照射到成型基板平面所选择的区域不同，由于电子束的光斑是电磁控制，没有扫描振镜系统机械控制，所以光斑移动速度非常快。在成型工艺过程中，扫描速度最高达8 000 mm/s，远超选区激光熔化工艺1 000 mm/s的扫描速度。

④扫描方式。

扫描方式即扫描策略，指电子束光斑的移动方式，与选区激光熔化不同，电子束主要的扫描策略为跳跃式扫描，也有轮廓边界扫描，如图3-31所示。图3-31（a）为高温加工实体熔融状态图，图3-32（b）为高位加工轮廓熔融图。

图3-31　典型电子束熔融高温成型工艺图

⑤铺粉厚度。

铺粉层厚指每次铺粉前工作台下降的高度，单位为mm。根据不同的设备型号，可设置不同层厚，根据目前的设备制造工艺，电子束熔融工艺的层厚基本设置为0.05 mm，有设备制造商因客户需求，将层厚增大至0.1 mm，大层厚打印已经成为设备制造厂商追求的技术目标，以此获得更高的零件生产效率。

⑥真空度。

在整个加工周期内，真空系统提供的基础气压为1×10-3 Pa或更小。加工过程中，加入氦气分压为2×10-1 Pa以确保干净和可控的成型环境，同时能够保证加工材料的化学纯净度。

⑦支撑结构。

电子束熔融工艺也是一个热力学过程，存在应力和热变形问题，对于高熔点金属粉末材料，所有的弧形或者弓形零件都需要添加必要的支撑结构，因为整个加工周期处在真空高温的环境下，对于加工过程中的每层，电子束将粉末层整体加热至最佳加工温度（取决于使用的材料），因此生产出的零件残余应力低，材料性能优于铸造材料，与锻造材料性能相当。加工结束后，零件可以直接自由脱落，省去线切割工序。

四、电子束熔融技术的特点

电子束熔融技术的是金属3D打印的主流技术之一，生产过程中，EBM和真空技术相结合，可获得高功率和良好的环境，从而确保材料性能优异。相比传统减材（切削加工）或者等材制造（锻造、铸造）工艺，电子束熔融技术具有以下几个特点：

①常用的成型材料一般为单一组分金属粉末，主要包括钛基、镍基、钴基合金粉末，支持客户根据需求自主使用其他材料开发加工。

②减少废弃的副产品，成型材料能够回收，筛分后重复利用，可大幅降低生产成本。

③实现设计自由，电子束光斑大，主要制备医用和航空航天领域复杂结构的金属件。

④加工过程柔性化，无需刀具、模具，制造工序少，周期短。

与选区激光熔化技术相比，电子束熔融技术还具有以下优势：

①加工环境为高真空度、高温状态（能够达到1 100℃），获得的零件残余应力低，力学性能更好。

②光斑采用电磁控制，电子束功率的高效生成使电力消耗较低，而且扫描速度更快，相比激光扫描振镜系统更稳定，故障率低，安装和维护成本较低。

③电子束能量高，输出总功率更高。

④加工效率更快。由于电子束的转向不需要移动部件，所以既可提高扫描速度，又使所需的维护很少。其最大成型速度达到了3 500 cm3/h，较之其他金属快速成型技术，效率提高了数十倍。

⑤加工零件可自由脱落，无须进行线切割工序。

五、电子束熔融技术的常用材料及其特性

1.常用金属材料分类(www.xing528.com)

电子束熔融技术与选区激光熔化技术相似，可成型多种金属材料，由于还具有高真空保护，电子束能量利用率高和成型残余应力小等特点，该技术尤其适用于成型稀有难熔金属及脆性材料。目前，钛合金TC4、TA7、纯钛，钴基合金CoCrMo，不锈钢316 L，镍基高温合金In718、In625，以及TiAl、Ti2AlNb等金属间化合物的研究已较为成熟，正在开发的新型材料包括生物医用金属钽材料、MoSiB系金属间化合物、纳米颗粒增强复合材料等。随着技术的不断发展，电子束熔融技术能够通过测试并进行使用的材料会越来越广泛。

表3-8为典型电子束熔融技术使用合金粉末分类。

表3-8　典型电子束熔融技术使用合金粉末分类

2.常用粉末特性

与选区激光熔化技术相同，成型材料是电子束熔融技术发展的关键环节之一，它对成型构件的物理、化学性能以及精度起着决定性作用。电子束熔融技术使用的材料是球形粉末，主要包括纯金属、合金以及金属基复合材料等。在成型过程中，金属粉末材料的特性对成型质量也有较大影响，因此电子束熔融技术对粉末材料的成分、含氧量、形貌、粒度分布等均有严格的要求。

（1）成分

电子束熔融技术使用金属粉体的化学成分严格按照国家或者国际标准要求，由于粉末的接触面积大，相比固体金属更容易吸收或吸附各种气体，因此需要严格控制C、S、O、N这几种非金属元素的含量。

（2）氧含量

氧含量对最终成型零件的性能有重要影响。电子束熔融技术能够保证成型舱处于高真空工作环境，所用金属粉体主要通过旋转电极法制得，是在惰性气体保护环境下制得的球形粉末，因此粉末材料纯度较高，氧含量能达到国家标准。针对不同种类的成型材料，其含氧量要求不同。一般的金属粉末，如镍基高温合金、不锈钢，含氧量要求在500 ppm以下，而相对活泼的金属，如钛基粉材和针对医疗行业的植入物，一般要求氧含量低于1 300 ppm，才能制成高品质成型零件。

（3）粉末形貌

粉末颗粒形状是影响成型零件致密性的关键因素，因为它直接影响粉末的流动性，进而影响铺粉的均匀性。在多层加工过程中，如果铺粉不均匀，将导致每一层金属熔化区域不均匀，最终使得成型零件的内部组织不均匀，有些区域结构致密，而其周围区域存在较多缺陷，如孔隙、微裂纹。如图3-32所示为清研智束公司电子束熔融设备用金属粉末图。

图3-32　金属粉末显微形貌图

（4）粒度分布

与选区激光熔化相同，电子束熔融所需球形金属粉末的粒度范围呈现正态分布，在实际生产过程中，主要关注D10、D50、D90这三个数值。它们分别表示10%、50%和90%的粉末材料；其直径都小于某一值（单位μm）。根据电子束熔融设备需求，球形金属粉末粒径分布主要为：45~105μm。图3-33为天津清研智束公司的标准金属粉末粒径分布图。

图3-33　粉末粒径分布图

六、电子束熔融技术的主要设备厂商

Arcam AB成立于1997年，是瑞典上市公司，它是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司。公司总部和制造基地均位于瑞典摩恩达尔，在美国、意大利、中国和英国设有服务办公室。自创立以来，Arcam一直初心不改，致力于彻底革新复杂零件的制造工艺。Arcam公司提供完整的解决方案，包括电子束熔融金属3D打印设备、辅助设备、软件、金属粉末以及对客户的服务和培训支持。Arcam在EBM技术方面申请的核心专利达25项以上，并从多个国家获得50项以上的专利转让。2016年，通用电气公司宣布收购Arcam公司，目前拥有Spectra、Q和A三个系列产品，主要产品有Arcam EBM Spectra L、Spectra H、Q10plus、Q20plus和Arcam A2X。

2015年，依托清华大学天津高端装备研究院的天津清研智束科技有限公司成立，并于2017年起，率先推出商业化开源电子束熔融3D打印设备Qbeam Lab，应用于航空航天、船舶、工业制造等领域。目前公司拥有的主要设备有Qbeam Lab200、Qbeam Med200、Qbeam Aero350。

国内外典型电子束熔融设备见表3-9。

表3-9　国内外典型电子束熔融设备

续表

七、电子束熔融的应用领域

电子束熔融技术可成型几乎所有金属及金属间化合物等材料，可精确成型多孔复杂结构，在生物医疗、航空航天、汽车制造等领域有广泛应用。

1.生物医疗

由于钛合金粉末在真空中熔融并成型，可以避免在空气中熔融所带来的氧化缺陷等质量问题，因此电子束熔融成型工艺在医疗植入、医疗修复和整形方向具有独特优势。在实际应用中，通过CT或MRI数据进行CAD三维逆向建模，然后进行植入物设计并进行有限元分析和力学性能验证，最后导入电子束熔融成型设备，在计算机辅助设计下精确扫描成型即可获得个性化定制医疗产品（如钛膝关节、髋关节等）。

北京爱康医疗集团于2015年8月获得国内首个3D打印髋关节系统的药品监督管理局（NMPA）注册证，2016年5月获得3D打印人工脊柱系统上市许可，开辟了国内脊柱3D打印应用的历史先河。2021年初，该集团又获批国内首个金属3D打印全膝关节系统，再次填补了国内在膝关节领域的空白。图3-34和图3-35所示为爱康医疗典型产品。

图3-34　爱康医疗电子束熔融成型髋臼杯产品

图3-35　爱康医疗电子束熔融成型脊椎产品

国内电子束熔融技术在金属3D打印医疗领域应用较多的还有上海交通大学附属第九人民医院，春立医疗等，他们在定制个性化人工关节假体等假体方面都成功完成了诸多案例。如图3-36所示为春立医疗个性化定制肩关节假体，假体表面为仿生骨小梁结构，更接近人体骨小梁结构，有利于骨长入，电子束熔融工艺让假体定制“量体裁衣”，一对一设计生产，匹配度非常高。如图3-37所示为春立医疗个性化定制标准膝关节假体，高摩擦系数提供植入物良好的初始稳定性，同时，根据骨缺损情况选用不同型号的组件，可以避免优良骨质的过度去除。

图3-36　春立医疗电子束熔融成型肩关节产品

图3-37　春立医疗电子束熔融成型膝关节产品

如图3-38所示为春立医疗个性化定制标准股骨垫块，该垫块采用钛合金材质制造，这种表面仿生骨小梁结构垫块，其网状结构在内部互相连接形成的蜂窝状构造使得骨质能够快速、牢靠地长入。提供厚度为5 mm、10 mm的胫骨半垫块和16度的胫骨楔形半垫块以及7度的胫骨楔形全垫块涵盖大部分骨缺损的填补需要。

图3-38　春立医疗电子束熔融成型膝关节产品

2.航空航天

从2012年开始，主要的发动机生产商已经开始使用EBM技术批量生产各种零部件，并于2014年正式装机应用。目前应用最广泛的产品包括涡轮机叶片、飞机起落架零件、火箭发动机叶轮以及其他航天零件等。

图3-39　涡轮机叶片

如图3-39所示为电子束熔融涡轮机叶片，涡轮叶片使用先进的航空航天材料钛铝制造。这种材料比常用于低压涡轮叶片的镍基合金轻50%左右。

电子束熔融能够制造出比激光打印厚4倍以上的涡轮叶片。

如图3-40和图3-41所示，分别是通过电子束熔融技术制备的飞机起落架组件和火箭发动机叶轮。通过该工艺制备的零件具有高强度的特性，同时良好的热环境保证了部件的形状稳定性和低残余应力，能够长期服役。

图3-40　飞机起落架组成构件

图3-41　火箭发动机叶轮

3.汽车制造

如图3-42所示为某汽车悬挂系统的组成部件，通过电子束熔融技术，采用钛合金TC4一体化制作而成。如图3-43所示为汽轮机压缩机承重体，重3.5 kg，采用电子束熔融工艺，经过30小时打印成型。

图3-42　汽车悬挂构件

图3-43　汽轮机压缩机承重体

想一想

1.简述电子束熔融技术的工艺原理和流程。

2.常用于电子束熔融技术的金属材料有哪些？

3.列举电子束熔融技术的典型应用案例。