电子束熔化 (EBM)：快速、CNC 品质的金属 3D 打印

金属 3D 打印改变了复杂金属模具和零件的制造方式。电子束熔化 (EBM) 是 CNC 加工和金属铸造的良好替代方案，因为它能够以 3D 打印的速度打印具有金属耐用性和强度的零件。

EBM 是一种粉末床熔融工艺，类似于 SLM（选择性激光熔化）和 SLS（选择性激光烧结），每层金属粉末薄层都沉积在加热床上，然后熔化或烧结到位。然而，EBM 与这些工艺的不同之处在于，熔化粉末的能源是电子束而不是激光束，并且该过程是在真空而不是大气压下进行的。铬钴合金和钛合金是EBM 3D打印中最常用的两种材料。

电子束熔化的历史可以追溯到 1993 年，当时 Arcam 公司与瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学合作首次为其原理申请了专利。他们的目标是通过用电子束熔化导电金属粉末来逐层创建 3D 物体。 1997年，Arcam重组为Arcam AB，继续开发EBM 3D打印工艺并将其商业化。

在本文中，我们将深入探讨电子束熔化，并讨论其本质、优点和缺点以及与其他 3D 打印工艺的异同。

什么是电子束熔炼 (EBM)？

电子束熔化是一种 3D 打印工艺，使用导电金属粉末和电子束逐层生产零件。为了使该过程正常进行，打印室中必须产生约 0.0001 mbar 的真空。在没有真空的情况下，高能电子会更频繁地与气体分子碰撞，从而夺走光束完成打印过程所需的能量。一旦获得真空，构建平台就会被加热到极高的温度（约600-1000℃），金属粉末精确沉积以形成待打印部件的当前横截面层。此时，电子束在构建平台上小心翼翼地移动，并使用更高的温度选择性地熔化新粉末层并将其与先前打印的层融合。一旦完成一层，构建平台就会下降相当于一层的量。重复此过程，直到打印整个部件。

电子束熔炼图

EBM 打印的历史是什么？

电子束技术的历史可以追溯到 1869 年，当时 Johann Wilhelm Hittorf 和 William Crookes 在气体中尝试使用阴极射线（电子束的另一个术语）来熔化金属。他们的实验带来了许多发现。然而，直到 1952 年，h.c. 博士才Karl-Heinz Steigerwald 开发了第一个用于商业用途的实用电子束工艺。当时，电子束主要用于焊接应用。 40多年后的1993年，EBM的原理和理论首次由瑞典公司Arcam申请专利。这是通过与瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的合作实现的。 1997 年，该公司重组为 Arcam AB，继续开发 EBM 3D 打印工艺并将其商业化。 Arcam AB 于 2016 年被 GE 收购并并入 GE Additive。

电子束熔化的目的是什么？

电子束熔化的目的是通过3D打印（增材制造）制造金属零件。更准确地说，电子束熔化是一种通过将特定图案的材料熔化在一起（一次一层）来构建金属部件的方法。增材制造有许多不同的方法，但 EBM 的具体目的是使用高熔点金属进行制造。其应用主要是为航空航天和医疗领域构建复杂而复杂的零件。

电子束熔炼的重要性是什么？

电子束熔化的重要性在于它允许在 3D 打印应用中使用钛和高合金工具钢等金属。因此，EBM 为可制造的组件开辟了新的可能性。增材制造可以构造出以前不可能的几何形状，特别是具有复杂内部结构的零件。这样做的好处之一是可以通过增材制造将多个组件制造为单个组件，从而简化组装。然而，增材制造主要是用热塑性材料开发的，因为它们相对便宜且熔点较低。这严重限制了 3D 打印零件的有用应用。电子束熔化的重要性在于它可以用钛和镍合金等金属制造 3D 打印零件。高熔点金属凭借其强度、生物相容性和耐腐蚀性，开辟了可从增材制造中受益的应用范围。

电子束熔炼与传统制造方法有何不同？

电子束熔化不同于传统制造方法，因为它是一种增材制造方法。这意味着 EBM 用于通过向正在构建的组件连续添加材料（以特定模式）来进行制造。这与传统的制造方法有根本的不同，传统的制造方法要么从一块金属开始，然后去除材料以达到最终形状（即铣削和机加工），要么使用模具将熔融金属铸造成特定的预定形状。这些方法通常材料效率较低（再加工材料的比例较高），并且交货时间较长，且相关模具成本较高。借助 EBM，可以直接根据数字设计制造组件，并且不会浪费任何材料。然而，它仍然是一项年轻的技术，因此设备和材料仍然相对昂贵。随着技术的成熟，这些成本预计会下降。

电子束熔炼有什么用？

电子束熔化 3D 打印用于具有复杂几何形状的零件的小批量制造和概念验证。 EBM 系统和用于打印的粉末价格昂贵，因此该工艺很少用于大规模生产。 EBM生产高强度金属零件，主要用于航空航天、赛车运动和医疗行业。 EBM 打印零件用于涡轮叶片、发动机部件、医疗植入物和假肢等高性能零件。

电子束熔化与什么相似？

电子束熔化与其他粉末床熔融 3D 打印工艺类似，例如选择性激光熔化 (SLM)  和选择性激光烧结（SLS）。 EBM 利用电子束选择性地熔化和融合金属粉末，逐层形成零件。在 SLM 中，激光在加热的构建平台上选择性地熔化和熔合金属粉末。 SLS 是一个几乎相同的过程；然而，聚合物粉末而不是金属粉末是通过激光选择性地烧结和熔化的。

EBM 与这两种工艺的不同之处在于使用电子束而不是激光来制造零件、需要真空来打印零件以及需要更高的构建平台温度。

电子束熔化如何工作？

EBM 3D 打印是通过在真空中加热钨丝以产生电子束来实现的。一旦获得真空，就会产生光束，金属粉末沉积在构建托盘上，然后就可以开始打印。生产 EBM 3D 打印零件的步骤如下：

1. 金属粉末沉积到构建平台上，形成待打印部件的当前横截面层。
2. 3D 打印机腔室压力降至 0.0001 mbar 左右。
3. 当获得所需的真空度时，打开电子束并将整个构建平台加热到所需的温度（600-1000℃）。
4. 一旦构建平台被加热，电子束就会精确地移动到构建平台，以在更高的温度下熔化和熔合金属粉末颗粒。
5. 完成一层后，构建平台会下降相当于一层的高度。
6. 沉积一层新的粉末，然后重复该过程，直到打印出整个零件。
7. 在从打印机中取出部件之前，通常会过夜冷却部件。
8. 零件冷却后，必须清除残留的半烧结粉末和支撑结构。

电子束熔化机的主要部件是什么？

以下是电子束熔炼机的主要部件：

1. 电子束枪： 这是熔化的能量来源。光束由钨丝产生，但枪还包括聚焦和偏转线圈，以将其引导到构建区域中的精确位置进行熔化。
2. 真空（构建）室： 制造过程在真空室内进行，真空室内保持真空以防止材料氧化。
3. 粉末料斗： 粉末状材料被保存在粉末料斗中，从粉末料斗中计量出来进行熔化。
4. 粉辊： 粉末滚筒在构建区域上移动，以均匀地铺展一层粉末。因此，每层熔化后，滚筒会在构建区域上移动，为下一层熔化做好准备。
5. 构建平台： 构建平台是后续构建组件的支撑。平台以较小的增量下降，以便组件的最上边缘处于形成下一个粉末层的正确高度。

电子束熔化的准确度如何？

EBM 打印通常不如 SLM 打印准确。这是因为，在 SLM 中，使用的金属粉末通常更细，并且构建层通常比 EBM 更薄。 EBM 打印零件中较厚的层可能会导致表面光洁度较粗糙。因此，EBM 打印的零件可能需要进行后处理，以获得所需的公差和表面光洁度。

什么材料可以用于电子束熔炼？

EBM 中只能使用有限范围的金属。钛和铬钴合金是两种常用的材料。也可以使用某些钢粉和 Inconel 718。由于电子束熔化3D打印需要导电材料来制造零件，因此不能使用聚合物和陶瓷材料。

电子束熔化可以用于塑料吗？

不可以，电子束熔化不能用于塑料材料。绝大多数塑料不能导电，因此不能吸引电子束。此外，电子束熔化所达到的温度远远超过大多数塑料的熔点，这会导致炭化而不是熔化。

电子束熔炼可以用于陶瓷吗？

不可以，电子束熔化不能用于典型的陶瓷。为了吸引电子束，接收电子束的材料需要具有导电性。这通常将该技术限制在金属材料上，并且大多数陶瓷不导电。尽管一些工程陶瓷具有导电性，但目前尚未开发出用于 EBM 的陶瓷。 

电子束熔融打印的优点是什么？

EBM 3D打印的优点是：

1. EBM 打印具有良好机械性能的高密度零件。
2. EBM 可以打印由于 EBM 打印温度升高而无法使用 SLM 打印生产的脆性零件。
3. 未使用的粉末可以回收并用于以后的打印作业，从而有效地减少浪费并降低成本。
4. EBM 中使用的电子束比 SLM 中使用的激光束更强大，因为真空的使用可确保没有外来分子干扰打印。与 SLM 相比，更高的能量水平使 EBM 的打印速度更快。
5. EBM 可以生产出与铸造或 CNC 加工等传统制造方法相媲美的高质量零件。

电子束熔融打印有哪些缺点？

EBM 3D打印的缺点是：

1. 由于使用电子束技术和金属粉末，EBM 可能是一种极其昂贵的工艺。
2. 只能使用 EBM 工艺打印有限的一组金属。
3. 由于粉末颗粒尺寸和打印层高度的差异，EBM 打印部件的尺寸精度往往低于 SLM 打印部件。

电子束熔炼面临哪些挑战？

EBM 是一种非常令人兴奋和有前途的制造方法。然而，当前技术存在一些局限性，限制了其使用。其一，EBM 仅被批准与有限数量的材料一起使用。更多适合与 EBM 一起使用的粉末材料和牌号将能够服务于更广泛的市场。 

该技术的另一个限制是它使用相当复杂的设备。粉末材料在机器内处理的方式，以及在构建表面上均匀分布数百层的方式——这需要比其他类型的增材制造更复杂的机械。电子束本身也是一种复杂的能源。

这些方面结合起来形成了 EBM 的另一个限制——它仍然是一种昂贵的制造技术。因此，它具有较少的成本效益用例，例如高价值或定制组件。

使用电子束熔炼制造零件的工艺流程是什么？

使用电子束熔化工艺进行制造的第一步是拥有电子 3D 模型。然后，该模型通过“切片”软件进行处理，将 3D 组件缩小为单独的层，以便一次打印一个层。然后将切片的 3D 文件发送到 EBM 机器。

在机器上，该过程的第一部分是装载用于制造的粉末材料。然后，机器将在构建室中产生真空。这种真空对于确保电子束中的电子不与任何气体粒子相互作用以及确保熔化的金属不氧化是必要的。 

制造开始后，将在构建区域上铺上一层薄薄的粉末。首先将粉末预热，然后使用电子束将粉末熔化在一起。电子束遵循特定的路径，仅在固化所构建的组件层所需的区域熔化粉末。一旦层完成，构建板（和组件）就会稍微降低，并在其顶部铺上一层新的新鲜粉末。这种粉末被预热，然后被电子束熔化以形成下一层。一旦零件逐层完全制造完成，就将其从构建室中取出，并去除多余的未熔化粉末。

EBM 所需的温度是多少？

EBM 3D打印过程的熔化部分可能需要超过2000℃的温度来熔化EBM打印项目中通常使用的高熔点材料，例如钛。钨合金需要在3000℃以上熔化。

即使是 EBM 打印的预热阶段也需要将构建平台加热到 600-1000℃。将构建平台预热至高温可最大限度地减少打印部件中的残余应力，从而获得更好的机械性能。然而，较高的构建平台温度需要足够的支撑以防止悬垂变形。

支撑有助于将热量从零件传导至构建平台，从而有效降低整个零件的热应力。

为什么 EBM 过程是在真空中进行的？

EBM 工艺在真空中进行，以减少打印部件中的残余应力，并防止打印部件因温度升高而氧化。如果不存在真空，光束内的电子可能会与空气中的分子碰撞。
这将导致电子更频繁地与气体分子碰撞，从而剥夺光束完成打印过程所需的能量。
在正常实践中，像 EBM 打印那样在高温下加热金属会导致氧化加剧，从而使最终产品变脆。然而，在 EBM 中，真空室内的打印实际上消除了氧化及其可能导致的延展性和韧性的缺乏。

通常使用电子束熔炼制造哪些类型的产品？

电子束熔炼通常用于制造特殊应用的金属产品，例如喷气发动机的涡轮叶片或赛车的定制涡轮增压器组件。这些类型的产品以这种方式制造，因为它们可以受益于 EBM 使用不适合典型铸造的材料制造复杂零件的能力。 EBM 还用于 3D 打印定制钛（生物相容性）组件，这些组件用于医疗行业的植入物和假肢。

哪些行业主要使用电子束熔化技术？

电子束熔化技术通常用于需要专用高性能组件的行业，例如：

1. 航空航天： EBM 用于制造喷气发动机的涡轮叶片和航空航天业的其他关键部件。
2. 医疗： 钛植入物由 EBM 为医疗行业制造，因为增材制造能够制造定制的几何形状以适合个体患者。
3. 汽车和赛车运动： 定制的高性能零件是使用 EBM 由金属制造的，并且比传统制造方法具有更快的开发时间。

电子束熔炼有哪些应用？

电子束熔化应用侧重于由钛或镍合金等高价值金属制成的专用零件。因此，EBM 的应用主要是在航空航天工业中的喷气发动机涡轮叶片等项目，或在赛车工业中的定制涡轮增压器组件。钛（具有生物相容性）可以通过 EBM 3D 打印这一事实也意味着它在医疗领域有应用，特别是用于置换髋关节等假体的骨科。

电子束熔炼如何影响航空航天工业？

电子束制造通过使用新材料制造新的、更轻的部件，对航空航天业产生了影响。 EBM的制造工艺与传统的铸造工艺有着根本的不同。逐层构建组件允许构建不同的几何形状，并使用不同的材料（例如铝化钛）。一个例子是能够为喷气发动机制造更轻的涡轮叶片，从而由于重量减轻而节省燃料。 EBM 还允许对单元之间的设计进行更改，这是铸造所无法做到的。

电子束熔化 (EBM) 技术有医疗应用吗？

是的，电子束熔化有医疗应用。钛合金是 EBM 中常用的材料，并且由于其生物相容性和强度，钛也常用于医疗植入物。 EBM 主要应用于骨科领域，其中髋关节等 3D 打印组件很常见。

电子束熔炼 (EBM) 是否用于发动机部件制造？

是的，电子束熔炼用于汽车行业的发动机部件制造。由于采用 EBM 制造的零件成本较高，其用途仅限于专用的高性能零件，例如定制涡轮增压器。 EBM 在航空航天工业中更常用于制造喷气发动机的部件，例如涡轮叶片。

EBM 和 SLM 3D 打印有什么区别？

SLM（选择性激光熔化）是一种 LPBF（激光粉末床熔化）工艺。 “SLS”一词最初是 SLM Solutions（现为 Nikon SLM Solutions Group AG）的商标，但它经常用作金属 LPBF 系统的通用术语。

EBM和SLM 3D打印的区别是：

1. EBM 使用电子来熔化粉末，而 SLM 使用激光产生的光子来熔化金属粉末。
2. EBM 需要真空来打印零件，而 SLM 在接近大气压的压力下使用惰性气体打印零件。
3. EBM 主要加工钛、钴铬合金和一些镍基高温合金，而 SLM 支持更广泛的金属，包括不锈钢、铝和铜。
4. 由于粉末颗粒尺寸较大和所需的打印层高度，EBM 打印的零件通常比 SLM 尺寸精度更低且表面更粗糙。
5. 由于 EBM 技术和使用的金属粉末，EBM 比 SLM 更昂贵。

EBM 和 DMLS 3D 打印之间有什么区别？

DMLS（直接金属激光烧结）与 SLM 3D 打印几乎相同。 DMLS 名称是 EOS GmbH 的商标。尽管使用了“烧结”这个词，但该过程实际上是将颗粒熔化在一起而不是烧结它们。

除了 SLS 和 DMLS 之间的打印参数存在一些差异外，它们基本上是相同的技术。

因此，EBM 和 DMLS 之间的差异与 EBM 和 DMLS 之间的差异非常相似。

1. EBM 采用高能电子束熔化金属粉末，而 DMLS 利用高功率激光来实现相同的过程。
2. EBM 在真空环境中运行，而 DMLS 在接近大气压的惰性气体气氛（例如氩气或氮气）中运行。
3. EBM 主要用于钛、钴铬合金和某些镍基高温合金等材料，而 DMLS 适用于更广泛的金属，包括不锈钢、铝、工具钢和钛。
4. EBM 的尺寸精度往往比 DMLS 低，因为粉末颗粒较大且印刷层较厚，导致表面光洁度较粗糙。
5. EBM 机器通常成本较高，但实际费用因预期应用、材料选择和生产需求而异。

摘要

本文总结了电子束熔化 (EBM) 3D 打印技术，包括其工作原理、优点、材料以及与其他 3D 打印工艺的比较。要了解有关电子束熔化 3D 打印以及如何将其应用到您的项目的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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