电子束3D打印技术现状及应用 2014.03

电子束3D打印技术现
状及应用
2014.03.31
能量功率高（1-5千瓦）
能量密度高（光斑直径<0.1μｍ)
对焦方便
扫描速度快
加工工材料广
Arcam公司的电子束熔融（EBM）技术EBM技术由来自瑞士的
Arcam AB公司研发，于
SLS，SLM和DMLS技术不
同的是，EBM不是用激
光，而是采用电子束来
完成对金属粉末的熔融。

2013年3月，Arcam公司推出了Q10型3D打印机，是专门为其公司的假肢市场生产的机型，用来替换之前A1型。

另外Arcam公司还有专门针对航空市场的A2系列机型。

电子束熔融(EBM®)原理•电子束通过高温丝极释放
•加速到光速的一半
•电子束聚焦
•磁场控制电子束的偏转
•电子束轰击金属粉末,动能转
化为热能
•热能融化金属粉末
•通过电流来控制电子束能量
EBM 特性
•功率强大(4 kW) ，电子束作为热源，金属材料对其几乎没有反射，能量吸收率提高•高加工率，达到80 -110cm3/h
•电子束偏转不用移动部件
•真空制造使产品具有高强度，在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大提高，增加了熔池之间、层与层之间的冶金结合强度。

•可以熔化高熔点金属及合金，EBM设备可以融化熔点高达3400 ℃的材料
•精度约为±200-400μm
EBM 特性
•良好的热环境（＞800℃）保证了部件的形状稳定性和低残余应力。

EBM 能保持建造过程温度在退火温度，无需后热处理。

DMLS的零件具有各向异性，需后热处理，以消除应力。

•整体性能
–100%致密度
–好于铸件，部分指标超过锻件–粒径可控
–高强度
•快速、经济
–快速的制造
–高的能量利用率
–金属粉末可循环使用
EBM技术成型还存在如下问题•（1）需高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制；•（2）在真空室抽气过程中粉末容易被气流带走，造成系统污染；
•（3）在电子束作用下，粉末容易溃散。

因此，EBM技术需要将系统预热到＞800℃，使得粉末在成型室内预烧结固化在一起。

•（4）高预热温度对系统整体结构提出非常高的要求。

•（5）加工。

机型—Arcam EBM S12加工尺寸200 x 200 x 180 mm
用于植入物生产, 材料采用钛合金
机型—Arcam Q10•用于植入物生产, 材料采用钛合金
•加工尺寸200 x 200 x 180 mm
•完整的EBM®技术, 提供
•高生产率
•光滑表面
•Arcam EBM®LayerQam™
逐层质量验证
•Arcam EBM®MultiBeam™
多电子束技术
机型—Arcam A1
•用于植入物生产, 材料采用钛合金和
CoCr合金
•加工尺寸200 x 200 x 180 mm
•完整的EBM®技术, 提供
•高生产率
•光滑表面
•Arcam EBM®MultiBeam™
多电子束技术
机型—Arcam A2
•航空航天领域
•两个可以互换的成形腔
(高的和宽的)
•加工尺寸
•200 x 200 x 350 mm
•Ø300 x 200 mm
•Arcam EBM®MultiBeam™
多电子束技术
国际市场上售价：60万欧元
机型—Arcam A2X
•航空航天领域
材料采用钛合金
•加工尺寸
•Ø350 x380 mm
•Arcam EBM®MultiBeam™
多电子束技术
5 材料
•目前可用材料
•Ti6Al4V （45-100微米）
•Ti6Al4V ELI（45-100微米）
•钛粉, Grade 2 （45-100微米）•CoCr, ASTM F75 （45-100微米）•研发中的材料
•Inconell –718, 625
•Beryllium/AlBeMet
•GRCop-84、TiAl
•MMC’s
•Stainless Steels -316L, 17-4PH •Gradient Materials
•Aluminium Alloys
应用
通过CE和FDA认证的植入物
EBM
生产的多孔颅骨修
复植入物已经植入人
体（华盛顿瓦特李德空军医院）
航天零部件
清华大学电子束选区熔化技术•EBSM ，利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，现在铺粉平台上铺设一层粉末并压实，然后，电子束在计算机的控制下按
照设计进行有选择的熔化烧结，层层堆积。

EBSM-250，价格
150万人民币左右
250×250×300 mm3；
美国MIT学院提出电子束实体自由制造技术（EBSFF）
•电子束固定不动，工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同
时，加工对象(金属丝)通过送丝机构被电子束熔
化层层堆积而成。

•好处之一是通过数控工作台提供的丝材比喷射出的金属粉末容易控制；
•另一个好处是可以减少材料内部较大体积夹杂的存在，制造零件的内部品质得到了保证。

电子束直接制造（Electron Beam Direct Manufacturing, EBDM )技术
EBDM技术是由美国Sciaky In.公司（美国Phillips Service Industries的子公司）于2009年开发的一种新技术。

与之前介绍的电子熔融术（EBM）不同，而Sciaky公司的技术独到之处则在于：它将打印材料直接送进打印头，用电子束在直接在机头熔融并打印材料。

所以EBDM技术可以说是一滴一滴的打印金属物品的，其物品制作的精度和质量都非常高，更关键在于它基本不产生任何废料，节省了大量的原材料——考虑到金属的价格，这对降低成本有非常大的作用。

sciaky电子束无模成形技术
•电子束无模成形技术（EBF3）是一种采用电子束作为热源，利用离轴金属丝建造零件的工艺。

2009年由美国NASA 和
Sciaky联合开发
万美元
EBF3技术特点
•EBF3 工艺可替代锻造技术，大幅降低成本和缩短交付周期。

•它不仅能用于低成本设计和制造飞机结构件，也为在国际空间站或月球或火星表面加工备用结构件和工具提供了一种便捷的途径。

•EBF3 技术可以直接成形铝、镍、钛、或不锈钢等金属材料，双枪头技术可将两种材料混合在一起，也可将一种材料嵌入另一种。

EBF3技术特点•沉积速度：2000-4000cm3/h •制造精度：±1.27～2.54 mm •表面粗糙度约为RA6.4
•使用丝材，材料利用率100%；•加工尺寸：6 X 1.2 X 1.2m3
DMLS 和EBM 发
展相对成熟，已经
有商业化的加工设
备面市；DMD 和
EBF3 也已进入工
程化应用研究阶段。

•沉积速度：EBF3＞EBM＞DMLS •加工尺寸：EBF3＞EBM＞DMLS •表面光洁度：DMLS＞EBM＞EBF3
中航工业电子束熔丝沉积设备，实现大型钛合金结构件的批生产能力•利用电子束作为热源，熔化金属丝材，按照设计的路径逐层堆积，并与前一层形成冶金结合。

（巩水利）
电子束熔丝沉积成形技术特点
•1、加工速度快，3500cm3/h;
•2、适用于大型钛合金、铝合金
结构件的制造和修复；
•3、加工精度低，约±1.5mm;
•4、结构复杂程度低的构件；
TC4试样宏观
形貌
其他的高能速快速成型技术•激光熔覆制造技术（LENS）
•选区激光熔化技术（SLM/DMLS）
激光熔覆制造技术（LENS）•LENS技术原理：用高能激光来熔化粉末并将其注入一个熔池中，层层堆积进而建造或修复零件，成形件不需要或者只需少量加工即可使用。

•已成功制造了316、304不锈钢，镍基高温合金，H13工具钢，Ti-6Al-4V钛合金以及镍铝金属间化合物等材料零件。

Optomec公司的LENS850商业机
最大成形速度8.19cm3/h
王华明“飞机钛合金大型复杂整体构
件激光成形技术
”
2012年国家技术发明奖一等奖
开发了双相钛合金“特种
热处理”新工艺，提出
“热应力离散控制”新方
法，制造出的大型整体
钛合金飞机结构试验件。

LENS优点
1.LENS技术在加工异质材料(功能梯度材料、复合材料)方面的特有优势,采用LENS技术可以很容易地实现零件不同部位具有不同的成分和性能,不需反复成形和中间热处理等步骤。

2.激光直接制造属于快速凝固过程, 金属零件完全致密、组织细小, 性能超过铸件。

3.不需采用模具, 使得制造成本降低15%～30%, 生产周期节省45%～70%
4. 对采用LENS技术制成的试样进行疲劳测试,结果显示:其制成成形件的疲劳强度高于相应铸件以及锻件的疲劳强度。

LENS缺点
1.制件成形效率较低,其堆积速率较慢。

2. 成形件表面质量较为粗糙，一般不能直接使用,需要后加工来提高表面质量。

3.整个过程需要惰性气体保护，而且使
用的的是金属粉末，成本较高。

选区激光熔化技术（SLM/DMLS）•SLM（Selective Laser Melting）技术是在SLS技
术基础上发展起来的，与SLS方法的相同之处
是，因控制热变形困难等限制而只适于成形复杂
形状小型件；不同之处是将粉末烧结改良成粉末
熔化，省去了SLS后续的渗金属环节，但需要热
等静压处理。

•SLM技术需要高功率密度激光器，光斑聚焦到几
十μm到几百μm。

SLM技术目前最常使用光束
模式优良的光纤激光器的激光功率在50W以上，
功率密度达5×106 W/cm2以上。

SLM/DMLS特点
•1) 直接制成终端金属产品,省掉中间环节;•2) 可得到冶金结合的金属实体,致密性接近100%;
•3) SLM 制造的工件有高的拉伸强度;
•尺寸精度<±0.1 mm，粗糙度Rz30～
50μm ) ;
•4) 适合各种复杂形状的工件；
•5）材料广泛，不锈钢、钛合金工具钢等。

成熟的SLM厂家
•德国EOS公司（EOSING M270，DMLS 技术）
•德国MCP公司（Realizer系列，SLM技术）•德国Concept laser公司（M Cusing系列，laser Cusing技术）
在致密度、精度与表面粗糙度等方面，EOS、MCP与Concept laser公司达到同一水平。

•2004年，华南理工开发出了国内第一台选
区激光熔化快速制造设备DiMetal-240，后
续开发了DiMetal-280、Dimetal-100成型机。

•最大成型尺寸分别为100×100×100 mm （Dimetal-100）；
•最小成型尺寸精度为50μm。

总结对比
谢谢！。