EBM 金屬3D打印技術介紹

　　電子束熔化(EBM)
　　1994年瑞典 ARCAM 公司申請的一份專利，所開發的技術稱為電子束熔化成形技術(Electron Beam Melting)，ARCAM公司也是世界上第一家將電子束快速制造商業化的公司，並於2003 年推出第一代設備，此後美國麻省理工學院、美國航空航天局、北京航空制造工程研究所和我國清華大學均開發出了各自的基於電子束的快速制造系統。美國麻省理工學院開發的電子束實體自由成形技術( Electron Beam Solid Freeform Fabrication，EBSFF)。EBSFF 技術采用送絲方式供給成形材料前兩種利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作台移動，與激光近形制造技術類似逆向工程，電子束熔絲沉積快速制造時，影響因素較多，如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離、工件運動速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等。這些因素共同作用影響熔積體截面幾何參量，確區分單一因素的作用十分困難;瑞典 ARCAM 公司與清華大學電子束開發的選區熔化(EBSM)利用電子束熔化鋪在工作台面上的金屬粉末，與激光選區熔化技術類似，利用電子束實時偏轉實現熔化成形，該技術不需要二維運動部件，可以實現金屬粉末的快速掃描成形。
　　電子束選區熔化(EBSM)原理
　　類似激光選區燒結和激光選區熔化工藝，電子束選區熔化技術(EBSM)是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成形的快速制造技術。3D列印EBSM技術的工藝過程為：先在鋪粉平面上鋪展一層粉末;然後，電子束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的熔化，金屬粉末在電子束的轟擊下被熔化在一起，並與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成;最後，去除多餘的粉末便得到所需的三維產品。上位機的實時掃描信號經數模轉換及功率放大後傳遞給偏轉線圈，電子束在對應的偏轉電壓產生的磁場作用下偏轉，達到選擇性熔化。經過十幾年的研究發現對於一些工藝參數如電子束電流、聚焦電流、作用時間、粉末厚度、加速電壓、掃描方式進行正交實驗。作用時間對成型影響最大。
　　電子束選區熔化的優勢
　　電子束直接金屬成形技術采用高能電子束作為加工熱源，產品設計公司掃描成形可通過操縱磁偏轉線圈進行，沒有機械慣性，且電子束具有的真空環境還可避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。 電子束與激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、穩定及運行維護成本低等優點。EBM技術優點是成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要金屬支撐，微觀組織更致密等 電子束的偏轉聚焦控制更加快速、靈敏。激光的偏轉需要使用振鏡，在激光進行高速掃描時振鏡的轉速很高。在激光功率較大時，振鏡需要更複雜的冷卻系統，而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描時，激光的掃描速度將受到限制。在掃描較大成形范圍時，激光的焦距也很難快速的改變。電子束的偏轉和聚焦利用磁場完成，可以通過改變電信號的強度和方向快速靈敏的控制電子束的偏轉量和聚焦長度。電子束偏轉聚焦系統不會被金屬蒸鍍幹擾。用激光和電子束熔化金屬的時候，金屬蒸汽會彌散在整個成形空間，並在接觸的任何物體表面鍍上金屬薄膜。電子束偏轉聚焦都是在磁場中完成，因而不會受到金屬蒸鍍的影響;激光器振鏡等光學器件則容易受到蒸鍍汙染。
　　電子束選區熔化的主要問題
　　真空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走，造成真空系統的汙染;但其存在一個比較特殊的問題即粉末潰散現象，其原因是電子束具有較大動能，當高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時，電子的部分動能也直接轉化為粉末微粒的動能。當粉末流動性較好時，粉末顆粒會被電子束推開形成潰散現象。防止炊粉的基本原則是提高粉床的穩定性，克服電子束的推力，主要有四項措施：降低粉末的流動性，對粉末進行預熱，對成型底板進行預熱，優化電子束掃描方式。因此，粉末材料一直很難成為真空電子束設備的加工對象，工藝參數方面的研究更是鮮有報導。針對粉末在電子束作用下容易潰散的現象，提不同粉末體系所能承受的電子束域值電流(潰散電流)和電子束掃描域值速度(潰散速度)判據，並在此基礎上研究出混合粉末; EBM技術成型室中必須為高真空，才能保證設備正常工作，這使得EBM技術整機複雜度提高。還因在真空度下粉末容易揚起而造成系統汙染。此外，EBM技術需要將系統預熱到800℃以上，使得粉末在成型室內預先燒結固化在一起，高預熱溫度對系統的整體結構提出非常高的要求，加工結束後零件需要在真空成型室中冷卻相當長一段時間，降低了零件的生產效率。

　　電子束無法比較難像激光束一樣聚焦出細微的光斑因此成型件難以達到較高的尺寸精度。因此，對於精密或有細微結構的功能件，電子束選區熔化成型技術是難以直接制造出來的。 電子束偏轉誤差。EBSM系統采用磁偏轉線圈產生磁場，使電子偏轉。由於偏轉的非線性以及磁場的非均勻性，電子束在大范圍掃描時會出現枕形失真。大偏角時的散焦。EBSM系統采用聚焦線圈使電子束聚焦。若聚焦線圈中的電流恒定，電子束的聚焦面為球面，而電子束在平面上掃描。因此，電子束在不偏轉時聚焦，而在大角度偏轉時出現散焦。