電子束熔化(EBM)

1994年瑞典 ARCAM 公司申請的一份專利，所開發(fā)的技術(shù)稱為電子束熔化成形技術(shù)(Electron Beam Melting)，ARCAM公司也是世界上第一家將電子束快速制造商業(yè)化的公司，并于2003 年推出第一代設備，此后美國麻省理工學院、美國航空航天局、北京航空制造工程研究所和我國清華大學均開發(fā)出了各自的基于電子束的快速制造系統(tǒng)。美國麻省理工學院開發(fā)的電子束實體自由成形技術(shù)( Electron Beam Solid Freeform Fabrication，EBSFF)。EBSFF 技術(shù)采用送絲方式供給成形材料前兩種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，與激光近形制造技術(shù)類似，電子束熔絲沉積快速制造時，影響因素較多，如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離、工件運動速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等。這些因素共同作用影響熔積體截面幾何參量，確區(qū)分單一因素的作用十分困難;瑞典 ARCAM 公司與清華大學電子束開發(fā)的選區(qū)熔化(EBSM)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)熔化技術(shù)類似，利用電子束實時偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)熔化成形，該技術(shù)不需要二維運動部件，可以實現(xiàn)金屬粉末的快速掃描成形。

電子束選區(qū)熔化(EBSM)原理
類似激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)熔化工藝，電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSM)是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成形的快速制造技術(shù)。EBSM技術(shù)的工藝過程為：先在鋪粉平面上鋪展一層粉末;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，金屬粉末在電子束的轟擊下被熔化在一起，并與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成;最后，去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。上位機的實時掃描信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換及功率放大后傳遞給偏轉(zhuǎn)線圈，電子束在對應的偏轉(zhuǎn)電壓產(chǎn)生的磁場作用下偏轉(zhuǎn)，達到選擇性熔化。經(jīng)過十幾年的研究發(fā)現(xiàn)對于一些工藝參數(shù)如電子束電流、聚焦電流、作用時間、粉末厚度、加速電壓、掃描方式進行正交實驗。作用時間對成型影響最大。

電子束選區(qū)熔化的優(yōu)勢
電子束直接金屬成形技術(shù)采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進行，沒有機械慣性，且電子束具有的真空環(huán)境還可避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化。 電子束與激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、穩(wěn)定及運行維護成本低等優(yōu)點。EBM技術(shù)優(yōu)點是成型過程效率高，零件變形小，成型過程不需要金屬支撐，微觀組織更致密等 電子束的偏轉(zhuǎn)聚焦控制更加快速、靈敏。激光的偏轉(zhuǎn)需要使用振鏡，在激光進行高速掃描時振鏡的轉(zhuǎn)速很高。在激光功率較大時，振鏡需要更復雜的冷卻系統(tǒng)，而振鏡的重量也顯著增加。因而在使用較大功率掃描時，激光的掃描速度將受到限制。在掃描較大成形范圍時，激光的焦距也很難快速的改變。電子束的偏轉(zhuǎn)和聚焦利用磁場完成，可以通過改變電信號的強度和方向快速靈敏的控制電子束的偏轉(zhuǎn)量和聚焦長度。電子束偏轉(zhuǎn)聚焦系統(tǒng)不會被金屬蒸鍍干擾。用激光和電子束熔化金屬的時候，金屬蒸汽會彌散在整個成形空間，并在接觸的任何物體表面鍍上金屬薄膜。電子束偏轉(zhuǎn)聚焦都是在磁場中完成，因而不會受到金屬蒸鍍的影響;激光器振鏡等光學器件則容易受到蒸鍍污染。

電子束選區(qū)熔化的主要問題
真空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走，造成真空系統(tǒng)的污染;但其存在一個比較特殊的問題即粉末潰散現(xiàn)象，其原因是電子束具有較大動能，當高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時，電子的部分動能也直接轉(zhuǎn)化為粉末微粒的動能。當粉末流動性較好時，粉末顆粒會被電子束推開形成潰散現(xiàn)象。防止炊粉的基本原則是提高粉床的穩(wěn)定性，克服電子束的推力，主要有四項措施：降低粉末的流動性，對粉末進行預熱，對成型底板進行預熱，優(yōu)化電子束掃描方式。因此，粉末材料一直很難成為真空電子束設備的加工對象，工藝參數(shù)方面的研究更是鮮有報導。針對粉末在電子束作用下容易潰散的現(xiàn)象，提不同粉末體系所能承受的電子束域值電流(潰散電流)和電子束掃描域值速度(潰散速度)判據(jù)，并在此基礎上研究出混合粉末; EBM技術(shù)成型室中必須為高真空，才能保證設備正常工作，這使得EBM技術(shù)整機復雜度提高。還因在真空度下粉末容易揚起而造成系統(tǒng)污染。此外，EBM技術(shù)需要將系統(tǒng)預熱到800℃以上，使得粉末在成型室內(nèi)預先燒結(jié)固化在一起，高預熱溫度對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)提出非常高的要求，加工結(jié)束后零件需要在真空成型室中冷卻相當長一段時間，降低了零件的生產(chǎn)效率。

電子束無法比較難像激光束一樣聚焦出細微的光斑因此成型件難以達到較高的尺寸精度。因此，對于精密或有細微結(jié)構(gòu)的功能件，電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)是難以直接制造出來的。 電子束偏轉(zhuǎn)誤差。EBSM系統(tǒng)采用磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場，使電子偏轉(zhuǎn)。由于偏轉(zhuǎn)的非線性以及磁場的非均勻性，電子束在大范圍掃描時會出現(xiàn)枕形失真。大偏角時的散焦。EBSM系統(tǒng)采用聚焦線圈使電子束聚焦。若聚焦線圈中的電流恒定，電子束的聚焦面為球面，而電子束在平面上掃描。因此，電子束在不偏轉(zhuǎn)時聚焦，而在大角度偏轉(zhuǎn)時出現(xiàn)散焦。

國內(nèi)外研究狀況
從 2003 年推出第一臺設備 S12 至今，ARCAM 推出了三款成形設備。在新一代成形設備 A1、A2成形設備中，成形零件的最大尺寸和精度都有較大的提高，并且在成形零件的冷卻中實現(xiàn)了自動冷卻。在成形和冷卻的過程中在真空室充入一定壓強的氦氣，可以加速成形后的冷卻速率，同時保持更低的氧含量。A1、A2 設備的應用領(lǐng)域也更加明確，A1 主要用來成形骨骼植入物，成形材料也主要為鈦、鈷合金;A2 主要用于成形航天航空領(lǐng)域和國防領(lǐng)域需要的零件，也制作其它領(lǐng)域成形復雜度高的小批量金屬件。ARCAM 采用最新生產(chǎn)的 A1 和 A2 設備，生產(chǎn)了大量精度和強度更加優(yōu)良的零件，其中利用 A1 生產(chǎn)的合金骨骼早已通過了 CE 認證，迄今在歐洲大陸已經(jīng)造福超過 10，000 名患者，在 2011 年初也通過了美國 FDA 的認證。利用 A2 生產(chǎn)的航空和國防領(lǐng)域的產(chǎn)品也取得了顯著的成果，除了具有以上所說的表面光滑，可加工復雜形狀，還將原材料到最終產(chǎn)品質(zhì)量的比率由 15～20 降到了約為 1，大大的降低了成本。

美國 NASA Langley Research Center、Sciaky 公司、Lockheed Martin 公司等研究單位針對航空航天鈦合金、鋁合金結(jié)構(gòu)開展了大量研究，最大成型速度達到了 3500cm3/h，較之其它的金屬快速成型技術(shù)，效率提高了數(shù)十倍。利用該項技術(shù)完成了F-22 上鈦合金支座的直接制造，該零件成功通過了兩個周期的最大載荷全譜疲勞測試，并未發(fā)現(xiàn)永久變形。在國內(nèi)清華大學機械系獨立的開發(fā)了電子束選區(qū)熔化設備，在 2004 年推出第一臺電子束選區(qū)熔化成形設備 EBSM150，并于 2008 年升級到第二代設備EBSM250，成形零件最大尺寸增大至 230mm×230mm×250mm。該課題組使用自行開發(fā)的設備，對電子束選區(qū)熔化工藝的多個關(guān)鍵問題進行了深入的研究，在近十年的時間內(nèi)，做了大量研發(fā)工作，包括成形控制系統(tǒng)開發(fā)、粉末預熱工藝、掃描路徑規(guī)劃、成形件的機械性能等。