电子束选区熔化技术——21世纪的新制造技术

近几年3D打印设备、材料不断的更新迭代，打印的应用也越来越广泛，虽然3D打印产品还未能广泛地应用到人们生活之中，但是对3D打印这个词，已经越来越被大众所了解和熟悉。国际、国内已经出现的3D打印技术种类繁多，采用的热源有不同，有激光束、电子束、离子束；所用的材料不同，有塑料、金属甚至陶瓷材料；沉积的方式不同，有送粉沉积、送丝沉积、选区沉积（粉床式）等。下面就向大家详细介绍一下增材制造技术中的电子束选区熔化技术。

在介绍该技术之前， 先给大家科普一下3D打印。

3D打印有很多别称，比如学术上常用的增材制造（Additive Manufacturing）技术，关键词是一个“增”字，是指通过逐层增加材料的方式制造3D零件。与增材制造相对应的，有传统的减材制造和等材制造技术：减材制造需要装卡毛坯，然后利用工具将不需要的材料切除；等材制造需要预先准备模具，将材料填充到模具中，得到3D形状。

3D打印为何备受关注？

在于其具有传统制造方式不具备的特点。

第一，3D打印可以制造形状非常复杂的零件，让设计变得更自由。以往受限于制造技术而不能采用的复杂结构，可以通过3D打印技术轻松实现。

第二，3D打印不需要刀具、模具，是一种短流程、高柔性、节省材料的制造技术。现代商品更新换代周期加快，产品个性化需求不断显现，3D打印技术可以说是为快流程、个性化而生的，契合社会发展潮流。

因此，3D打印被誉为21世纪的制造技术，是对现有制造技术的有力补充，必将变革当前制造业格局。

目前，激光选区熔化技术是在国内外应用比较广泛的3D打印技术。而电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）是上世纪九十年代中期发展起来的一种金属零件增材制造技术，其工艺原理是：将电子加速至约光速的一半，轰击粉末材料使其熔化；电子束对已经铺展在成型区域表面的材料粉末薄层进行扫描，将位于零件截面区域内的薄层粉末熔化并沉积。EBSM的成形精度较高，而且可以制作出具有多孔或内流道结构的零件。

激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）与EBSM技术的主要区别在于所用热源的不同，SLM利用激光熔化金属粉末，EBSM则用电子束熔化金属粉末。不同的热源与粉末材料之间的交互作用机理是不同的，所导致的制造效果也不同，主要区别如下：

由于利用电子束作为能量来源，EBSM技术具有如下特点和优势：

更大的功率密度，更高的材料-电子束能量吸收率；电子枪功率可到达3000瓦。

更强的穿透能力，更高的成形件致密度；打印实体致密度高达99.9%。

更高的粉床温度，更低的成形热应力和残留应力；最高预热温度1100℃ 。

更快的制造速度；产能是其他类型金属3D打印的3倍。

更广的材料适应范围；钛合金、钛铝金属间化合物、镍基高温合金、铜合金、高熔点金属等。

一图了解EBSM技术原理

这么强大的技术优势，真是看得人眼花缭乱。我国科研工作者在EBSM增材制造装备和技术方面具有多年技术积累，目前已研发了具有自主知识产权的EBSM增材制造装备，打破了国际垄断，这可是当之无愧的世界领先技术哦！一起来看看利用EBSM增材制造技术打印的一些应用零件吧——

（医学植入体）

（造型复杂零件）

（轻量化网格结构）

接下来，与大家分享一下，利用EBSM技术在工业和医疗领域的几个成功案例。

（1）EBSM技术打印的压气机叶轮

汽轮机压缩机叶轮叶片有圆柱形和扭曲形两种，利用传统铸造和锻造工艺成形不了特别复杂的叶片结构，需要后续的机加工，制造难度较大，造价较高。而利用冲击焊接等工艺制造叶轮，会导致叶轮后盖板变形严重等问题。利用EBSM技术则规避了以上难点。力学性能测试结果表明，EBSM制造的叶轮体抗拉强度达到996MPa~1120MPa，高于一般锻造标准强度水平，达到工业运用的要求。

（2）个性化胸椎植入体EBSM制造方案

所谓个性化植入体，是指根据患者缺损情况量身定做的植入体。医生可以根据胸椎的三维CT扫描数据，设计出外观完美匹配的植入体；并经过特殊的网格化设计减少金属植入体的弹性模量，使其在力学性能上和原有的胸椎匹配，实现功能修复。这种个性化的医疗方案为骨缺损患者减轻痛苦。

（3）EBSM金属3D打印髋关节垫块

为达到最佳的治疗效果，医院患者的髋关节置换手术需要个性化定制钛合金垫块。基于EBSM金属3D打印技术，科研人员可以在72小时内完成个性化垫块假体的设计及制造。

相对于已经出现在人类社会成百上千年的传统制造技术，自上世纪90年代开始发展起来的3D打印技术还非常年轻，充满活力。如今，3D打印技术“三十而立”，已经在医疗、航空航天、教育、珠宝首饰等行业领域崭露头角，茁壮成长。