3D打印技術-電子束熔化(EBM)簡析

我國研究EBM的專家：清華大學機械工程系林峰教授

電子束熔化是一種3D打印技術，它利用電子束將金屬粉末熔合在一起以製造零件。《3D打印商情》小編將在本文里簡要解釋這一技術是如何工作的，並指出它的優缺點，展示它的用途，希望能助您初步了解這一技術。

01、什麼是電子束熔化？

電子束熔化(EBM)是一種非常類似於SLS的3D打印技術，但EBM又有兩個不同之處——能量來源於電子束而不是CO2，所使用的材料是導電金屬，而不是熱塑性聚合物。

具體而言，EBM通常使用鈦合金，無法打印塑料或陶瓷部件。這是由於整個過程所依據的電荷決定的。

EBM之所以需要導電金屬，是因為該技術本身是基於電荷的。換句話說，電荷負責使粉末與電子束髮生反應，從而使粉末固化。

下文我們將更深入地介紹EBM，包括它的工作原理、優缺點，以及一些理想的應用領域。

02、電子束熔化工藝

EBM 3D打印零件後處理

所有EBM 3D打印機都包括一個能發射電子束的能源、一個粉末容器、一個送粉器、一個粉末再塗機和一個加熱的建造平台。打印過程是在真空中進行的，這樣生產就可以在嚴格控制的條件下進行。更準確地說，真空主要是為了防止粉末在高溫下氧化。

EBM 3D打印過程開始於用所需的金屬粉末填充粉末倉。完成後，粉末箱被放置到3D打印機，在那裡開始加熱階段。在打印之前，需要把粉末加熱到恰好低於其熔點。

3D打印本身從粉末再塗布機開始，它將一層預熱粉末沉積到構建平台上。一旦粉末凝固，電子束熔化就開始了。電子束由一組電磁線圈控制，這些線圈精確地將電子束指向構建平台的所需點。電子束在熔化粉末時選擇性地移動，使粉末顆粒融合在一起。

完成一個層後，構建平台向下移動一個層的高度。再塗布機再次帶着一層新的粉末進入，電子束開始誘導粉末粒子的融合，導致新的層的形成……重複這一過程直到整個部件完成。

03、電子束熔化後處理

從EBM打印零件中去除粉末

當完成後，零件不會立即可見，因為他們在粉末桶內被非燒結粉末覆蓋著，必須先移除非燒結粉末。

1、畸變

由於EBM 3D打印過程被高溫包圍，零件本身暴露在應力中，這可能導致變形。雖然周圍的非燒結粉末在打印過程中為零件提供支撐，但作用還不夠。

由於存在扭曲的風險，EBM需要支撐結構。支撐件是由與零件本身相同的材料製成的。

當零件最終完成時，將粉末倉從3D打印機中取出。儘管零件已經製造完成，但你暫時還不能使用該零件。

2、熱處理

由於零件中存在分子應力，所以含有這些零件的粉末倉經過打印後用熱處理——熱處理確保應力的消除，從而降低了變形的風險。熱處理還有助於提高零件的力學性能。

經過熱處理後，使用壓縮空氣使部件從粉末中顯露出來。如果部件帶有支撐結構，則在壓縮空氣清除粉末後將其移除。

3、支撐

由於支架是由金屬製成的，所以它們相當堅固。正因為如此，對於金屬3D打印來說，移除支撐是一個普遍需要面對的問題。與其他金屬3D打印技術一樣，支撐結構通常遠離零件加工。

在支撐最終被移除後，如果需要，可以使用傳統技術對EBM部件進行拋光、塗覆甚至進一步加工。

04、電子束熔化優點與缺點

EBM 3D打印賽車組件

就像其他3D打印技術一樣，EBM也有其優點和缺點。

1.優點

·高密度的基礎上完全熔化粉末——電子束實現了粉末的完全熔化，確保了較高的部件密度，也因此確保了強度。

·由於密度高，強度高。與其他金屬3D打印技術相比，被認為具有最佳的強度。

·更快速的打印工藝。

·非燒結粉末可回收利用。

·由於處於真空狀態，翹曲的風險較低。

2.缺點

·打印量小(最大直徑350毫米，高度380毫米)；

·不太準確，因為激光聚光燈稍微寬一點；

·有限的材料選擇(僅鈦或鉻鈷合金)；

·需要技巧與耗時的後處理；

·昂貴的機器和材料(300美元+/公斤)

05、電子束熔化工業與應用

EBM 3D打印顱骨植入物

關於EBM 3D打印機的一個有趣的事實是，只有一家公司生產這種打印機——Arcam EBM，這是一家GE Additive公司，當然，它自然就是EBM領域的一個領導者。

EBM 3D打印機的價格很高。我們不知道確切的價格，因為它是不公開的。

由於EBM 3D打印機和粉末是昂貴的，因此該技術尚未用於大規模生產一點也不奇怪，它主要被用來製造一些小系列的零件，這些零件通常具有複雜的結構。

正如您對用於製造高強度金屬部件的技術所期望的那樣，它已被用於許多領域。EBM已經在醫學、航空和汽車等行業中得到了應用。

值得一提的是，EBM應用程序誕生於醫療行業。有了EBM，就有可能生產出功能齊全的定製顱骨植入物。由於EBM部件通常很堅固，這個部件肯定和頭骨一樣堅固甚至更強。

來源：3D打印商情