电子束熔融（EBM）：快速、CNC级质量的金属3D打印

金属3D打印改变了复杂金属工具和零件的制造方式。电子束熔融（EBM）因其能以3D打印速度打印出具有金属耐久性和强度的零件，成为CNC加工和金属铸造的可靠替代方案。

EBM是一种粉末床熔融工艺，类似于SLM（选择性激光熔融）和SLS（选择性激光烧结），即每一薄层金属粉末沉积在加热床上，然后熔融或烧结就位。然而，EBM与这些工艺不同之处在于：熔融粉末的能量源是电子束而非激光束，且工艺在真空下进行而非常压下。铬钴和钛合金是EBM 3D打印中两种最常用材料。

电子束熔融历史可追溯至1993年，当时其原理由Arcam公司与瑞典哥德堡查尔默斯理工大学合作首次申请专利。他们的目标是利用电子束熔融导电金属粉末，逐层创建3D物体。1997年，Arcam重组为Arcam AB，继续开发和商业化EBM 3D打印工艺。

本文深入探讨电子束熔融，讨论从定义到优缺点，以及与其他3D打印工艺的异同。

什么是电子束熔融（EBM）？

电子束熔融是一种3D打印工艺，使用导电金属粉末和电子束逐层生产零件。为使工艺工作，打印腔内必须建立约0.0001 mbar的真空。无真空时，高能电子与气体分子碰撞更频繁，夺取完成打印所需能量。获得真空后，构建平台加热至极高温度（约600-1000℃），金属粉末精确沉积形成待打印零件当前横截面层。此时，电子束精确移动至构建平台，用更高温度选择性熔融并融合新粉末层与先前打印层。一层完成后，构建平台下降相当于一层高度。此过程重复直到整个零件打印完成。

电子束熔融示意图

EBM打印历史是什么？

电子束技术可追溯至1869年，Johann Wilhelm Hittorf和William Crookes在气体中实验阴极射线（电子束另一术语）熔融金属。实验导致一系列发现。然而，直到1952年，Dr. h.c. Karl-Heinz Steigerwald开发出首个实用电子束工艺供商业用途。当时电子束主要用于焊接应用。40多年后，1993年，EBM原理和理论由瑞典公司Arcam首次申请专利。这得益于与瑞典哥德堡查尔默斯理工大学合作。1997年，公司重组为Arcam AB，继续开发和商业化EBM 3D打印工艺。2016年Arcam AB被GE收购并整合进GE Additive。

电子束熔融的目的是什么？

电子束熔融目的是通过3D打印（增材制造）制造金属零件。更精确说，电子束熔融是逐层熔融特定材料图案构建金属组件的方法。增材制造有许多不同方法，但EBM专门用于制造高熔点金属。其应用主要在于为航空航天和医疗领域构建复杂精密零件。

电子束熔融的重要性是什么？

电子束熔融的重要性在于允许在3D打印应用中使用钛和高合金工具钢等金属。EBM因此为可制造组件开辟新可能性。增材制造允许构建先前不可能的几何形状，特别是具有复杂内部结构的零件。优势之一是多个组件可通过增材制造作为单一组件制造，简化装配。然而，增材制造多用热塑性材料开发，因其相对便宜且熔点低。这严重限制3D打印零件实际应用。电子束熔融的重要性在于能用钛和镍合金等高熔点金属制造3D打印零件。高熔点金属凭借强度、生物相容性和耐腐蚀性，拓展了受益于增材制造的应用范围。

电子束熔融与传统制造方法有何不同？

电子束熔融因其是增材制造方法，与传统制造方法不同。这意味着EBM通过按特定模式连续添加材料到构建组件来制造。这根本不同于传统制造方法，后者要么从金属块开始去除材料达最终形状（即铣削和加工），要么用模具将熔融金属铸造成特定预定形状。这些方法通常材料效率低（高比例再加工材料）且交货周期长、刀具成本高。使用EBM，组件可直接从数字设计制造，无材料浪费。但仍是年轻技术，设备和材料仍相对昂贵。预计随技术成熟成本将下降。

电子束熔融用于什么？

电子束熔融3D打印用于复杂几何零件的小批量制造和概念验证。EBM系统和打印用粉末昂贵，故极少用于大规模生产。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打印零件用于高性能部件如涡轮叶片、发动机组件、医疗植入物和假体。

电子束熔融类似于什么？

电子束熔融类似于其他粉末床熔融3D打印工艺，如选择性激光熔融（SLM）和选择性激光烧结（SLS）。EBM利用电子束选择性熔融金属粉末逐层成型零件。SLM中，激光在加热构建平台上选择性熔融金属粉末。SLS工艺近乎相同；但聚合物粉末而非金属粉末被激光选择性烧结熔融。

EBM在这两工艺中不同之处在于：使用电子束而非激光创建零件、需在真空中打印、需更高构建平台温度。

电子束熔融如何工作？

EBM 3D打印由真空中加热的钨丝产生电子束实现。获得真空后，产生电子束，金属粉末沉积构建托盘，打印开始。生产EBM 3D打印零件步骤如下：

1. 金属粉末沉积到构建平台形成待打印零件当前横截面层。
2. 3D打印机腔体压力降至约0.0001 mbar。
3. 获得所需真空度后，电子束开启并将整个构建平台加热至所需温度（600-1000℃）。
4. 构建平台加热后，电子束精确移动至构建平台，在更高温度下熔融金属粉末颗粒。
5. 一层完成后，构建平台下降一层高度相当距离。
6. 沉积新鲜粉末层，过程重复直到整个零件打印完成。
7. 零件冷却——常过夜——后从打印机取出。
8. 零件冷却后，必须移除残留半烧结粉末和支撑结构。

电子束熔融机器主要组件有哪些？

电子束熔融机器主要组件如下：

1. 电子束枪： 熔融能量源。束由钨丝产生，枪还包括聚焦和偏转线圈将其导向构建区精确位置熔融。
2. 真空（构建）腔室： 制造工艺在真空腔室内进行，维持真空防止材料氧化。
3. 粉末料斗： 粉末材料保持在粉末料斗中，计量输出用于熔融。
4. 粉末铺粉辊： 铺粉辊横跨构建区均匀铺展粉末层。每层熔融后铺粉辊横跨构建区，为下层熔融准备。
5. 构建平台： 构建平台为连续构建组件提供支撑。平台微量下降，使组件最上边缘处于正确高度形成下一粉末层。

电子束熔融精度如何？

EBM打印精度通常低于SLM打印。因SLM使用金属粉末通常更细，构建层通常比EBM更薄。EBM打印件较厚层可导致表面光洁度粗糙。因此EBM打印件可能需后处理以获得所需公差和表面光洁度。

电子束熔融可用哪些材料？

EBM仅可使用有限金属范围。钛和铬钴合金是两种常用材料。特定钢粉和Inconel 718也可用。因电子束熔融3D打印要求导电材料构建零件，聚合物和陶瓷材料不可用。

电子束熔融可用于塑料吗？

不能，电子束熔融不可用于塑料材料。绝大多数塑料不导电，无法吸引电子束。此外，电子束熔融达到的温度远超大多数塑料熔点，会导致碳化而非熔融。

电子束熔融可用于陶瓷吗？

不能，电子束熔融不可用于典型陶瓷。为吸引电子束，接收束材料需导电。这通常将技术限制在金属材料，大多数陶瓷不导电。虽有工程陶瓷导电，但目前无任何开发用于EBM。

电子束熔融打印有哪些优势？

EBM 3D打印优势包括：

1. EBM打印高密度零件，具良好力学性能。
2. EBM可打印脆性零件，否则因EBM更高打印温度无法用SLM打印生产。
3. 未用粉末可回收用于后续打印任务，有效最小化浪费和降低成本。
4. EBM使用的电子束比SLM激光束更强大，因真空保证无外来分子干扰打印。更高能量水平导致EBM比SLM打印速度更快。
5. EBM可生产可比传统制造方法（如铸造或CNC加工）的高质量零件。

电子束熔融打印有哪些劣势？

EBM 3D打印劣势包括：

1. 因电子束技术和金属粉末，EBM可能极其昂贵。
2. 仅有限金属组可用EBM工艺打印。
3. EBM打印件尺寸精度低于SLM打印件，因粉末颗粒尺寸和打印层高差异。

电子束熔融面临哪些挑战？

EBM是极令人兴奋和有前景的制造方法。然而，当前技术有若干限制，限制其应用。首先，EBM仅批准用有限数量材料。更多适合EBM的粉末材料和牌号将服务更广市场。

另一技术限制是使用相当复杂设备。机器内粉末材料处理方式、为数百层持续均匀铺展构建表面——这比其他增材制造类型需要更复杂机械。电子束本身也是复杂能量源。

这些方面结合形成EBM另一限制——仍是昂贵制造技术。因此具有较窄的具成本效益用例，如高价值或定制组件。

使用电子束熔融制造零件的工艺流程是什么？

使用电子束熔融工艺制造的第一步是拥有电子3D模型。该模型经“切片”软件处理，将3D组件分解为逐层打印的单个层。切片3D文件发送至EBM机器。

在机器端，流程第一部分是装载用于制造的粉末材料。机器随后在构建腔创建真空。此真空确保电子束中电子不与气体颗粒相互作用，也确保熔融金属不氧化。

制造开始后，薄层粉末铺展构建区。粉末先预热，然后电子束熔融粉末。电子束遵循特定路径仅在固化该层组件必要区域熔融粉末。层完成后，构建板（和组件）微量降低，新鲜粉末铺展其顶部。粉末预热后由电子束熔融创建下一层。零件完全制造完成后，逐层从构建腔取出，移除多余未熔融粉末。

EBM所需温度是多少？

EBM 3D打印熔融部分可能需超过2000℃温度融合EBM打印项目典型高熔点材料如钛。钨合金可能需3000℃以上熔融。

甚至EBM打印预热阶段要求将构建平台加热至600-1000℃。将构建平台预热至高温可最小化打印件残余应力，带来更好力学性能。但更高构建平台温度需足够支撑防止悬垂翘曲。

支撑帮助将热量从零件传导至构建平台——有效降低零件全身热应力。

为什么EBM工艺在真空下进行？

EBM工艺在真空下进行旨在减少打印件残余应力和防止因高温导致打印件氧化。无真空时，束中电子可与空气中分子碰撞。这将导致电子更频繁与气体分子碰撞，夺取完成打印所需束能量。常规做法中，在EBM打印发现的高温加热金属可导致氧化增加，使最终产品脆化。然而EBM中，在真空腔打印几乎消除氧化及其导致的缺乏延展性和韧性。

电子束熔融常制造哪些产品类型？

电子束熔融常用于制造专用应用金属产品，如喷气发动机涡轮叶片、或赛车运动定制涡轮增压器组件。此类产品以此方式制造因受益于EBM用不适合典型铸造材料制造复杂零件能力。EBM也用于3D打印定制钛（生物相容）组件，用于医疗行业植入物和假体。

哪些行业主要使用电子束熔融技术？

电子束熔融技术典型用于需专用高性能组件行业，如：

1. 航空航天： EBM用于制造喷气发动机涡轮叶片和航空航天其他关键组件。
2. 医疗： 钛植入物由EBM为医疗行业制造，因增材制造能制作定制几何形状适配个体患者。
3. 汽车和赛车运动： 定制高性能零件用EBM从金属制造，开发时间框架比传统制造方法更快。

电子束熔融有哪些应用？

电子束熔融应用聚焦于由钛或镍合金等高价值金属制造的专用零件。因此EBM应用主要在航空航天领域喷气发动机涡轮叶片等，或赛车运动定制涡轮增压器组件。钛（生物相容）可由EBM 3D打印也意味着其在医疗领域有应用，特别是骨科假体如髋关节置换。

电子束熔融如何影响航空航天工业？

电子束制造通过实现用新材料制造新型更轻组件影响航空航天工业。EBM制造工艺根本不同于传统铸造工艺。逐层构建组件允许构建不同几何形状，使用不同材料（如钛铝合金）。例如制造更轻喷气发动机涡轮叶片，因重量减轻提供燃油节省。EBM还允许单元间设计变更，铸造无法做到。

电子束熔融（EBM）技术有医疗应用吗？

是的，电子束熔融有医疗应用。钛合金是EBM常用材料，钛因生物相容性和强度常用于医疗植入物。EBM主要应用于骨科，3D打印组件如髋关节常见。

电子束熔融（EBM）用于发动机组件制造吗？

是的，电子束熔融用于汽车工业发动机组件制造。因EBM制造零件成本高，用途限于专用高性能零件如定制涡轮增压器。EBM更常用于航空航天工业制造喷气发动机组件如涡轮叶片。

EBM与SLM 3D打印有何区别？

SLM（选择性激光熔融）是LPBF（激光粉末床熔融）工艺。“SLS”名称原由SLM Solutions商标注册（现Nikon SLM Solutions Group AG），但常用作金属LPBF系统通用术语。

EBM与SLM 3D打印区别：

1. EBM用电子熔融粉末，SLM用激光光子熔融金属粉末。
2. EBM需真空打印，SLM在惰性气体近常压下打印。
3. EBM主要处理钛、钴铬和部分镍基高温合金，SLM支持更广金属范围，包括不锈钢、铝、铜。
4. EBM打印件尺寸精度通常低于SLM，表面粗糙，因粉末颗粒更大、需更厚打印层高。
5. 因EBM技术和金属粉末，EBM比SLM更昂贵。

EBM与DMLS 3D打印有何区别？

DMLS（直接金属激光烧结）几乎同SLM 3D打印。DMLS名称由EOS GmbH商标注册。虽用“烧结”一词，工艺实际熔融颗粒而非烧结。

除SLS和DMLS打印参数少数差异外，二者根本同一技术。

因此EBM与DMLS区别与EBM与DMLS区别相当类似。

1. EBM用高能电子束熔融金属粉末，DMLS用高功率激光实现同一过程。
2. EBM在真空环境运行，DMLS在惰性气体氛围（如氩或氮）近常压下运行。
3. EBM主要用钛、钴铬和特定镍基高温合金，DMLS适应更多金属，包括不锈钢、铝、工具钢、钛。
4. EBM因粉末颗粒更大、打印层更厚，尺寸精度低于DMLS，表面光洁度粗糙。
5. EBM机器通常更昂贵，实际费用视预期应用、材料选择和生产需求而定。

总结

本文总结了电子束熔融（EBM）3D打印技术，包括工作原理、优势、材料、与其他3D打印工艺对比。了解更多电子束熔融3D打印及如何应用于您项目，请联系Xometry代表。

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1. Inconel®是Special Metals Corp.亨廷顿合金部门注册商标，亨廷顿，WV。

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Dean McClements

Dean McClements拥有机械工程一等荣誉学士学位，在制造业拥有二十多年经验。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，深入理解工程流程和创新。

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