電子束選區(qū)熔化技術( EBSM)

EBSM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進行，且電子束具有的真空環(huán)境，還可以避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化。鑒于電子束具有的上述優(yōu)點，瑞典 Arcam公司、清華大學、美國麻省理工學院和美國 NASA 的Langley 研究中心，均開發(fā)出了各自的電子束快速制造系統(tǒng) ，前兩家利用電子束熔化鋪在工作臺面上的金屬粉末，與激光選區(qū)燒結(jié)技術類似；后兩家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臺移動，與激光凈成形制造技術類似。

EBSM技術是20世紀90年代中期發(fā)展起來的一種金屬零3D打印技術，其與SLM/DMLS系統(tǒng)的差別主要是熱源不同，在成型原理上基本相似。與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術相比，EBSM 工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點。在目前3D打印技術的數(shù)十種方法中，EBSM技術因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關注。無人機



國外對EBM工藝理論研究相對較早，瑞典的Arcam AB公司研發(fā)了商品化的EBSM設備EBM S12系列，而國內(nèi)對EBSM工藝的研究相對較晚。Heinl等采用Ti6-Al4-V、Ramirez采用Cu、Murr采用Ni基和Co基高溫合金、Hernandez等人采用TiAl制備了一系列的開放式蜂巢結(jié)構。通過改變預設置彈性模量E，可以獲得大小不同的孔隙，降低結(jié)構的密度，獲得輕量化的結(jié)構。K.N.Amato等人利用Co基高溫合金矩陣顆粒制備了柱狀碳化物沉積結(jié)構。

Ramirez等采用Cu2O制備了新型定向微結(jié)構，發(fā)現(xiàn)在制備過程中，柱狀Cu2O沉淀在高純銅中這一現(xiàn)象。劉海濤等研究了工藝參數(shù)對電子束選區(qū)熔化工藝過程的影響，結(jié)果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度呈明顯的線性關系，通過調(diào)節(jié)搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層面質(zhì)量。鎖紅波等研究了EBSM制備的Ti-6Al-4V試件的硬度和拉伸強度等力學性能，結(jié)果表明成型過程中Al元素損失明顯，低的氧氣含量及Al含量有利 于塑性提高；硬度在同一層面內(nèi)和沿熔積高 度方向沒有明顯差別，均高于退火軋制板的硬度水平。 利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實； 然后，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/燒結(jié)，層層堆積，直至整個零件全部熔化/燒結(jié)完成。



EBSM 技術主要有送粉、 鋪粉、 熔化 等工藝步驟，因此，在其真空室應具備鋪送粉機構、粉末回收箱及成形平臺。同時，還應包括電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)包括掃描控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)，如圖 3 所示。 瑞典 Arcam 公司制造生產(chǎn)的 S12 設備是電子束選區(qū)熔化技術在實際應用中的最好實例。該公司在 2003 年就開始研究該項技術，并與多種領域結(jié)合探究。目前，EBSM技術在生物醫(yī)學中得到了大量應用，相關單位正積極研究它在航空航天領域中的應用，美國在空間飛行器方面的研究重點是飛行器和火箭發(fā)動機的結(jié)構制造以及月球或空間站環(huán)境下的金屬直接成形制造。



    3、3D打印材料突破是發(fā)展基礎

3D打印材料是3D打印技術發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，在某種程度上，材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領域得到了應用。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和工藝而研發(fā)的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據(jù)打印設備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。無人機 



3D 打印材料的研發(fā)和突破是3D打印技術推廣應用的基礎， 也是滿足打印的根本保證。 一是加強材料的研制，形成完備的打印材料體系。 近幾年，3D 打印材料發(fā)展比較快，2013年，金屬材料打印增長了28%，2014年達到30%多， 約占 3D打印材料的12%， 金屬材料以鈦、鋁、鋼和鎳等合金為主，鈦合金、高溫合金、不銹鋼、模具鋼、高強鋼、合金鋼和鋁合金等均可作為打印材料，已經(jīng)廣泛應用于裝備制造和修復再制造。  但目前還沒有一個 3D 打印材料體系， 現(xiàn)有材料還遠不能滿足 3D 打印的需求。



用于激光立體成形的材料主要是金屬惰性材料， 下一步需要嘗試其他活潑的金屬打印材料。  傳統(tǒng)用于粉末冶金的金屬粉末尚不能完全適應3D打印的要求，且目前能運用于打印的金屬材料種類少，價格偏高。國外已出現(xiàn)少數(shù)幾家專供3D打印的金屬粉末的公司，如美國Sulzer Metco、瑞典的Sandvik等，但也只能提供少數(shù)幾種常規(guī)金屬粉末。國內(nèi)材料研發(fā)相對滯后，打印粉末太貴。因為材料研發(fā)周期長，研發(fā)難度較設備大，企業(yè)出于利益的最大化不愿進行材料研發(fā)。黃河旋風股份有限公司是國內(nèi)為數(shù)不多的從事金剛石微粉、CBN微粉生產(chǎn)的企業(yè)。高校研究又熱衷于3D打印裝備及軟件配套等，因此打印材料在很大程度上制約著金屬3D打印技術的發(fā)展及應用。