第十课 电子束选区熔化技术

国内
电子束粉末熔融快速成形方面，清华大学与
桂林电器科学研究所合作研制了试验设备，
用于基础实验研究，目前仍处于实验室研究 阶段。
幸福曼德智能工程技术公司引进的其外方合
作伙伴瑞典Arcam 公司S12 型设备，主要生 产医用钛合金关节头，工艺较为成熟。
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课堂作业
思考
EBSM 技术主要工艺有几个步骤？
3 电子束熔丝沉积成型技术的工艺过程
第一步 建三维模型
建立CAD三维模型
第二步 逐层沉积 使用专用切片软件， 进行切片。规划层厚、
行走路径和速度、送
丝速度等参数。
第三步 近成型
使用电子束发生器作为能量源， 在真空环境下通过电子束融化 金属线材在工件表面形成熔池， 随着熔池在工件表面的移动， 离开热源的熔池快速冷却结晶 固化，达到零件“近净形”形 态。
电弧增材制造技术在航空航天领域的应用
近年来，WAAM技术在国外发展相对成熟，许多大 型航空航天企业及高校积极开发WAAM技术，制造 了大型金属结构件。克莱菲尔德大学采用MIG电弧
增材制造技术制造钛合金大型框架构件（如图所
示），沉积速率达到数千克每小时，焊丝利用率高 达90%以上，该产品的成形时间仅需1h，产品缺陷 甚少。
且100%进入熔池；
您 的 标 题 写 在 这 里 （2）超高速的金属沉积速率，成型速度快；
（3）可打印大部分包括熔点很高的合金材料， 完全致 密， 力学性能接近戒等效于锻件性能； （4）可打印超大型以及巨型非标零部件，目前最长达 7.2米；；
缺点
（1）构建完成的工件表面公差裕量在2~3mm，达到“近净 形”形态，需要CNC数控机床完成精加工及表面抛光； （2）需要一套专用设备和真空系统，价格较高。
增材制造与设计
授课教师:郭彦兵
金属的激光3D打印成型
电子束选区熔化技术
1
电子束选区熔化技术的工艺原理 电子束选区熔化技术的工艺特点 电子束选区熔化技术的工艺过程
2
本节知识 点
3
课程导入
思考：
波音公司生产的钛合金航空发动机叶轮
1. 请说出图中模型是哪种成型技术？此种成型技术主要应用在哪些领域？ 2. 此项成型技术与SLM技术有和区别？
射散失，降温时间相当漫长，降低了成型效率。
（3）需要一套专用设备和真空系统，价格较高。
EBSM成型技术的工艺过程
EBSM成型技术从数字模型到金属零件
用CAD建模软件设计或者扫描获取零件的三维文件
（如 STL 格式文件）
用分层软件将数字三维文件分为设定层厚的文件层片， 格式为CLI（Common Layer Interface），分层文件 中包含着填充线的间距，电子束扫描轨迹等信息。 金属零件成型。
您 的 标 题 写 在 这 里
（4）由于在真空环境中成型，成型件没有其他杂质。 （5）加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。 （6）成型过程一般不需要额外添加支撑。
缺点
（1）成型前需长时间抽真空，便得成型准备时间很长；且
抽真空消耗相当多电能，总机功耗中，抽真空占去了大部分
功耗。 （2）成型完毕后，由于不能打开真空室，热量只能通过辐
课程学习
电子束选区熔化技术
全称与简称：electron beam selective melting/EBSM
20世纪90年代中期发展起来的一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从
而使得粉末材料熔化成型的增材制造技术。 具有能量利用率高、无反射、功率密度高、扫描速度快、真空环境无污染、低残余应力 等优点,特别适合活性、难熔、脆性金属材料的直接成形,在航空航天、生物医疗、汽车、 模具等领域具有广阔的应用前景
的钛合金零件在国内飞机结构上率先实现了装机
应用。
2016年，中航工业北京航空制造工程研究所大型熔 丝沉积电子束快速成形装备关键技术取得新突破
突破了电子束熔丝快速成形大型装备研制中长时间稳定工作的电子枪、大功率高压电源、 电子束快速成形工艺控制等关键技术，解决了在高速、高温、高蒸汽沉积环境下的稳定、 精确送丝难题，成功研发了国内最大的电子束熔丝成形设备，最大可加工零件尺寸达到 1500mm×500mm×2500mm，具备在线监测、多通道送丝功能，成形速度最大可达
美国Sciaky公司生产的钛合金飞机零件
电子束熔丝成型技术工艺原理
在真空成形环境中，利用具有 高能量的电子束作为热源，将 送进的金属丝材熔化，按照规 划好的成形路径，逐点逐层堆 积，直至成形出近净成形的金 属零件。
2 电子束熔丝沉积成型技术的工艺特点
优点
（1）原材料仅使用线（丝）材，价格大大低于粉材，
欧洲空中客车（Airbus）、庞巴迪 （Bombardier）英国宇航系统（BAEsystem）
以及洛克希德?马丁英国公司
（LockheedMartin-UK）、欧洲导弹生产商 （MBDA）和法国航天企业Astrium等，均利 用WAAM技术实现了钛合金以及高强钢材料大 型结构件的直接制造，大大缩短了大型结构件 的研制周期。图4为BAE公司制造的高强钢炮弹 壳体。
环境下的实时在线观察技术均为独创技术。
&
课堂作业
思考 比较一下电子束熔丝沉积成型技术和激光近净成型技术，说说这两种技术的
相同之处和不同之处。
电弧法熔丝沉积成型技术
1
电弧法熔丝沉积成型技术的工艺原理 电弧法熔丝沉积成型技术的工艺特点 电弧法熔丝沉积成型技术的工艺过程
2
本节知识 点
3
课程导入
观看 视频：
EBSM成型技术工艺原理
在真空室内，电子束在偏转线圈驱动
下按CAD／CAM规划的路径扫描。
熔化预先铺层的金属粉末；完成一个 层面的扫描后，工作箱下降一个层高。 铺粉器重新铺放一层粉末，电子束再 次扫描熔化，如此反复进行，层层堆 积，直接成形制造出需要的零件。
EBSM成型技术的工艺特点
优点
（1）成型过程不消耗保护气体。 （2）无需预热。 （3）力学性能好。
2. 电弧增材要改进。
（2）成形系统有待优化。 （3）成形材料成型性能需要进一步提高。
3 电弧法熔丝沉积成型技术的工艺过程
第一步 第二步 第三步 第四步 第五步 第五步 建立CAD三维模型 使用切片软件，进行切片 近净成型 热处理以消除内部应力、改善金属组织结构 精加工及表面抛光
知识拓展
WAAM技术在航空航天领域的应用将主要集中
在原位制造和复合制造。目前，虽然WAAM设 备的自动化水平相对较低，相关数据库短缺， 难以实现大规模工程应用；但是随着人们的高 度关注，WAAM技术在航空航天领域零件的快
速研制及小批量生产方面将有十分广阔的应用
前景。
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课堂作业
思考
1. 你如何看电弧3D打印技术，有潜力吗？
1 电弧法熔丝沉积成型技术工艺原理
2 电弧法熔丝沉积成型技术的工艺特点
优点
（1）制造成本低，加工周期短。 （2）化学成分均匀、致密度高，具有强度高、韧性好等优点。
您 的 标 题 写 在 这 里 （3）设备成本低，生产运行费用低，设备维护简单的优点。
（4）在生产形状复杂单件或小批量零件时， 具有经济、 快 速的优点， 从而可以使产品迅速更新换代， 以适应市场变化 的需求。 （5）丝材利用率接近百分之百，节约了成本，尤其对于比较 贵重的合金材料非常必要。
思考：
1. 你对电弧法熔丝沉积成型技术了解吗？ 2. 比较电弧法熔丝沉积成型技术和电弧金属喷涂技术有何区别？
课程学习
电弧法熔丝沉积成型技术
电弧增材制造技术 （WireArcAdditiveManufacture，WAAM）
电弧法是以电弧作为成型热源将金属丝材熔化，
按设定的成形路径堆积每一层片，采用逐层堆积的 方式形成所需的三维实体零件
5kg/h，实现送丝量的自动调整，可将成形效率提高50%以上，具备大型航空钛合金结构
的加工能力，其自动化水平、束源品质及加工能力达到国内领先、国际先进水平 。另外 在真空电子束快速成形设备的抗高温防蒸汽设计、多通道高效送丝系统、快速补给丝材设
计、真空环境下重载Z向工作台设计技术、多自由度数控系统集成技术、高温高蒸汽污染
在成型结束后，取出零件，去除金属粉末。
知识拓展
EBSM技术应用
典型代表是瑞典Arcam 公司的S12。该公司目前 以制造EBSM 设备为主，兼顾成形技术开发。
现在，生物医学植入物方面的研究已较成熟，航空
航天及汽车等领域也在积极开展研究。美国波音机 器人工厂及NASA Marshall 空间飞行器中心的研 究方向，是飞行器及火箭发动机结构制造以及月球 或空间站环境下的金属直接成形制造。右图为波音 公司生产的钛合金航空发动机叶轮。
第四步 热加工处理
将工件迚行热处理以
消除内部扭曲应力
第五步 最终部件
将工件通过CNC数控
机床完成精加工及表
面抛光
知识拓展
国内电子束熔丝沉积成型技术发展与应用
中航工业北京航空制造工程研究所
于2006年开始电子束熔丝沉积成形 技术研究工作，开发了国内首台电 子束熔丝沉积成形设备。
目前开发的国内最大的电子束成形设备真空室 46m3，有效加工范围1.5m×0.8m×3m，5 轴联 动，双通道送丝。在此基础上，研究了TC4、 TA15、TC11、TC18、TC21 等钛合金以及A100 超高强度钢的力学性能。研制了大量钛合金零件 和试验件。2012 年，采用电子束熔丝成形制造
电子束熔丝沉积成型技术
1
电子束熔丝沉积成型技术的工艺原理 电子束熔丝沉积成型技术的工艺特点 电子束熔丝沉积成型技术的工艺过程
2
本节知识 点
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课程导入
思考：
1. 请说出图中模型是哪种成型技术？此种成型技术主要应用在哪些领域？
2. 你知道国内此项成型技术发展情况？
课程学习
电子束熔丝沉积成型技术
全称与简称：又称为电子束自由成形制造技术（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF） 在真空环境中，电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材 通过送丝装置送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的 路径运动，熔池金属逐层凝固堆叠，达到致密的冶金结合， 从而制造出金属毛坯件，最后进行表面精加工和热处理。 美国麻省理工学院的V.R.Dave等人最早提出该技术并试制 了Inconel 718 合金涡轮盘。