2.6　电子束熔化成型（EBM）

2.6.1　电子束熔化成型工作原理

电子束熔化成型技术（electron beam melting，EBM）是近年来一种新兴的先进金属成型制造技术。高能量密度电子束加工时将电子束的动能在材料表面转换成热能，能量密度高达106～109 W/cm3，功率可达到100kW。由于能量与能量密度都非常高，电子束足以使任何材料迅速熔化或气化。因此，电子束不仅可以加工钨、钼、钽等难熔金属及其合金，而且可以对陶瓷、石英等材料进行加工。此外，电子束的高能量密度使得其在生产过程中的加工效率也非常高。

EBM成型机类似于SLM成型机。其区别在于：EBM成型机的熔化能量源是电子束，而不是激光束。EBM成型机由电子束枪、真空成型室、真空系统、控制系统和电源等组成（图2-58）。在电子束枪中，钨灯丝白热化并产生电子束，聚焦线圈产生的磁场将电子束聚集为适当的直径，偏转线圈产生的磁场将已聚焦的电子束偏向工作台粉末的靶点。由于电子束枪固定不动，无须移动机械构件来使电子束偏转扫描，所以有很高的扫描速度和体积成型率。电子束能量通过电流来控制，扫描速度可达1000m/s，精确度可达±0.05mm，粉层厚度一般为0.05～0.20mm。

图2-58　EBM成型机工作原理

EBM成型机的工作过程（图2-59）：首先在工作台上铺设一层粉末（如金属粉）并压实；然后，电子束在计算机的控制下按照工件截面轮廓的信息进行选区扫描，金属粉末在电子束的轰击下被熔结在一起，构成工件一层的截面轮廓，并与下面已成型的部分黏结；一层扫描完成后，工作台向下或电子束向上移动一定距离，进行下一层的铺粉、扫描、熔结，构成工件新一层截面轮廓，并牢固地黏结在前一层上；如此重复，直到整个工件成型完成为止；最后，去除未烧结的多余粉末，便得到所需的3D成型件。

图2-59　EBM成型机的工作过程

2.6.2　电子束熔化成型技术特点

与SLS和SLM工艺相比，电子束熔化成型技术是在真空环境下成型，金属氧化的程度大大降低；真空环境同时也提供了一个良好的热平衡系统，从而加大了成型的稳定性，零件的热平衡得到较好控制；成型速度得到较大提高。与传统工艺相比，电子束熔化成型技术具有零件材料利用率高，未熔化粉末可重新利用，无须工具和模具，节省制造成本，开发时间可显著缩短等优点。电子束熔化成型技术特点如下。

①电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm，所以加工面可以很小，是一种精密微细的加工方法。

②电子束能量密度很高，属于非接触式加工，可加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

③电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。例如，每秒可在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。

④由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。

⑤电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产、应用有一定的局限性。与激光束相比，电子束具有如下诸多优点。

①能量利用率高。电子束的能量转换效率一般为75%以上，比激光的要高许多。

②无反射，加工材料广泛。金、银、铜、铝等对激光的反射率很高，且熔化潜热很高，不易熔化；而电子束加工不受材料反射的影响，极易加工用激光难以加工的材料。

③功率高。电子束可以容易地做到几千瓦级的输出，而大多数激光器功率为1～5kW。

④对焦方便。激光束对焦时，由于透镜的焦距是固定的，所以必须移动工作台；而电子束则是通过调节聚束透镜的电流来对焦，因而可在任意位置上对焦。

⑤加工速度更快。电子束设备靠磁偏转线圈操纵电子束的移动来进行二维扫描，扫描频率可达20kHz，不需要运动部件；而激光束设备必须转动反射镜或依靠数控工作台的运动来实现该功能。

⑥运行成本低。据国外统计，电子束运行成本是激光束运行成本的一半。激光器在使用过程中要消耗气体，如N2、CO2、He等，尤其是He的价格较高；电子束一般不消耗气体，仅消耗价格不算很高的灯丝，且消耗量不大。

⑦设备可维护性好。电子束加工设备零部件少的特点使得其维护非常方便，通常只需更换灯丝；激光器拥有的光学系统则需经常进行人工调整和擦拭，以便其发挥最大功率。