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现在整个工业制造领域，不局限于航空航天、医疗等对于新技术的渴求度越来越高，对新技术能够给产品带来更优异的设计造型，以及相关性能体现的要求也越来越深。电子束和选区熔化进入金属3D打印领域是比较新的技术类型，相对于其它金属的3D打印类型它也有一些特点。7月19日，霍尔榜制造探囊第12期“EBSM®电子束金属3D打印常见问题解析” 由清研智束公司葛君艺主讲分享。

EBSM®双枪同幅设备

1、什么是EBSM®电子束金属3D打印技术？

电子束进入3D打印，它的能量源比较特殊，顾名思义我们使用的是电子束，作为能量源，电子束能量源有两个好处：首先能量源比较大，我们设备使用的电子束能量基本是在3个千瓦或者6个千瓦。同时电子束选择性熔化，能量数需要移动，电子束的移动是通过磁场的瞬间变化来移动的，点到点之间的跳转速度能够达到1万米每秒的速度，非常快。

也是因为电子束能量大和跳转速度快的特点，我们在打印过程当中可以进行逐层的预热。预热温度可以在500~1100度区间选择，当然是根据不同的材料和打印需求，在工艺开发过程当中去进行调控就好了。有了预热过程，我们打印下来的零件，整体的环境温度和每一层打印的温度差值就会控制得很好，打印的金属零件几乎是没有热能力的，不需要后续的热处理和线切割来去除应力和取下底板上的连接。

从工艺整体流程上来说缩短了工艺流程，成本上进行了一定的缩减。另外电子束的能量比较大，穿透能力很强，一般情况下，选择打印铺粉的层厚是从50~200微米可选的，从效率角度来说也做了进一步的提升。同时，我们选择粉末原材料也可以选择粗一点的粉末，电子束使用的粉末原材料粒径范围在45~105微米，平均粒径是75微米，原材料的价格成本也相应降低。

电子束打印的特点就是预热和能量高，打印下来的零件几乎没有热应力，零件几乎不用添加支撑或少量添加支撑，方便我们在零件大小适合的前提下批量生产。我们不单可以在XY方向把零件占满它的成形尺寸，同时也可以非常方便的在高度方向上去层叠摆放它，得到非常好的生产制造效率及产能。

最后一个特点，也是因为能量大和有预热，除了普通的钛合金、不锈钢等这些普通的金属材料可以打印之外，我们也可以去打印一些比较难成形的或者很不容易成形的金属材料。比如高温难熔的、难焊的合金、脆性的钛铝合金、包括高反射率的纯铜等等。这也是电子束在硬件和软件基础上，为客户更多的特种材料需求搭建了一个硬件平台，一定意义上也有更好的拓展性。

2、EBSM®打印金属零件性能如何？

电子束打印零件的综合性能是比较接近或者部分超过锻件的。电子束打印的环境是在真空环境下打印的，高温下打印过程中对氧含量的控制相对比较好，氧增量较少，强度塑性也比较好。另外，变速打印的能量比较大，对于金属原材料的熔化比较充分，致密度高，在打印态下的致密度接近于100%。

案例一，航天用钛合金零件（TC4），我们用工业CT去实测打印的零件，在打印态下不做任何后处理的前提下致密度能够达到99.96%，孔隙率只有0.04%，孔也是没有封闭的气孔，且剩下这个孔也都是真空的。如果对于零件的疲劳性能或者其它一些性能要求比较高，再进一步去做一下热等静压，压它一下，那么整体的内部孔隙的闭合率非常高，基本上接近于100%的致密度。TC4钛合金整体的性能和它的一些尺寸精度，成熟的工艺下相应的性能也是符合标准达标的，整体的制造精度在电子束这块还是比较成熟可靠的。

壳体类的零件幅面比较大，壁厚很薄，1mm左右的壁厚，用电子束打印大幅面薄壁结构的零件，成功率非常高，几乎没有变形。我们在打印这些零件的时候，如果需要悬空支撑，可以悬空添加支撑，电子束的打印支撑是不用每一个支撑都要跟底板相连接需要生根的。舵翼类的零件，打印的整体效率会高一些。

叶轮喷嘴类的零件，这类零件大倾角的结构造型会比较多，对于电子束打印来说，大倾角悬空面在绝大多数的情况下是无需添加支撑的，这样对于材料的利用率，包括整体的打印效果都会更好一点。我们打印每一炉的性能归纳和总结，因为电子束每一层都会有预热，整体温度场的控制比较均匀，它的熔池能量比较小，没有凝固偏激，所以整体炉次间的稳定性、一致性都是非常好的。

案例二、航天用钛合金零件（TA15），我们之前试验过比较成熟的一个材料牌号和工艺， TA15材料的相关性能，室温的高温性能都是符合相应的标准。我们给客户打印一些阀体类，舵翼类零件和产品，这些零件在打印过程中的特点和TC4材料的零件一样。

这里说一下，我们之前给客户打印壳体类的零件需要打压测试的，零件是通过旋压锻造的形式来进行制造的，因为它是一个圆筒子，在壳体里面进行旋压锻造出来之后，外部有些结构件要进行焊接，还要再机加工与一道道工序，整体工序的周期和数量都比较长和多，所以他们也在考虑是不是可以用3D打印的形式来试一下，能够整体打印。我们就试了一下，但试完之后，电子束打印的零件跟传统工艺旋压锻造相比，在打压测试的过程当中，发现电子束的耐压水平比他们之前旋压锻造的更高了一点，高了大概60%左右。

在电子束领域里面，大家经常提到一个典型应用或者典型材料，就是钛铝合金。我们公司对于钛铝合金做了体系性的全流程工艺开发，形成了比较成熟稳定的工艺参数。钛铝材料比较特殊，密度接近于钛合金，相对比较轻的材料。这个材料在工作状态下，环境耐温的极限温度比较高，在航空发动机或者其它一些相应的应用场景下，它的性能体现比较好。第一它耐高温，第二它的密度小，达到了航空航天的减重要求。但是这个材料有一个缺点，非常的脆，整体使用这个材料去进行制造的时候，会有很多的问题。

传统去做钛铝材料会选择铸造的形式，因为钛铝材料的流动性，包括铸造的一些添加剂，脱模等等，它的一些问题导致铸造的过程当中不能做的特别大，超过200mm以上的成功率就很低了，当然200mm左右的成功率还可以接受，但是也有一定的失败率，相对高一些。另外，对于锻造或者机加工来说，这个材料又非常的脆，直接去做又不是特别的理想，这个材料用3D打印的形式去制造，是一个比较理想的制造方式的选择，但是这个材料比较脆，如果没有预热这一步是完全成形不了的。所以说，这个材料正好非常适用于电子束的打印，也能解决目前航空航天热部件端的减重要求。

对于钛铝材料，我们从粉末的质量管控，电子束的成形工艺，后处理的制度研究，除了打印之外对于钛铝也是相当重要的。包括到最后组织性能的评估，不断的优化，这些整体的过程我们都形成了一个体系性的工艺流程制度，一个成熟的工艺。我们通过对于钛铝打印的研究，发现电子束打印下来的钛铝，内部的组织可以获得比较小的片层团的比例尺寸和分布，对于电子束来说，通过成熟的工艺规划之后是可以得到的。也因为这个我们也以对服役条件为导向，实现了室温塑性、高温强度、疲劳性能，以持久性能的平衡来达标，这是对于钛铝合金工艺的介绍。

案例三、钛铝金属间化合物（γ-TiAl）。我们也给客户做了叶片，弯管喷嘴一些钛铝高温部件的打印。通过电子束打印、工业CT检测之后，它的内部非常致密，没有任何的裂纹。因为它比较脆，打印起来可能产生问题的就是在于有孔洞或者说是微裂纹。我们可以看到它整体的近净成形缺陷控制也非常好，同时在机加工的性能上进行了一定的提升。

案例四、难焊高温合金（Mar-M247），这个材料是一个对于裂纹比较敏感的材料，金属3D打印对于温度场如果控制不好，或者在打印过程中没有预热这一步，非常容易在打印过程中或者成形好之后，在内部产生很多的微裂纹，这些微裂纹的产生其实就是缺陷，对于零件的使用，或者说进行一些性能实验，性能考核都会有非常大的阻碍因素。

我们通过不断的工艺调整和测试开发，得到了M247比较好的工艺参数，也是因为电子束的温度场控制比较好，逐层预热这样的特点，我们在工艺优化之后打印出来的零件，实体的叶片，包括空心的叶片，通过工业CT的照射内部是没有任何的裂纹，这个也是一个非常好的控制过程，也打出了实体的零件，相应的性能也是比较达标的。

案例五、高温合金（In718/GH4169），我们也有成熟的工艺参数，相应的性能也是达标的。经过我们工艺优化之后，得到的性能状态是介于铸件和锻件之间相对比较好的性能水平。

案例六、高温合金（In738），它跟 M247也有类似的地方，也是对于裂纹比较敏感的材料。它的特点跟M247材料一样，温度控制要求比较严格。电子束打印也相对适用，有预热步骤。打印工艺设置之后，打印整体的In738性能相对比较不错，内部也是没有裂纹的，整体内部组织的控制，裂纹的控制等都符合要求，并且相对优良。当然特殊材料的成形，除了工艺的调控之外，有更高的要求也需要去结合热处理，或者热等静压综合的制度调控组合，得到更好的零部件的性能。

我们在高温合金（In738）上，除了把它的一些性能和裂纹控制做好之外，在材料端也做了单晶材料的尝试。通过工艺控制可实现等轴晶、柱状晶、大块单晶的选择性生长，然后也不用单晶基板，通过选晶过程得到单晶，实现了不同宽度的单晶体的制备，我们在20×100×100mm尺寸上得到了一个比较完整的单晶组织结果。对于后期零部件或者是材料端做了更多的拓展性工作，都是基于电子束工艺和技术提供的可能性来的。

我们也做了很多其它金属材料的试制或拓展，比如高温难熔的纯钨，铌钨合金，高反射率的铜合金，给客户也做了一些感应线圈的零件，包括2024的高强铝合金。可能大家听说3D打印更多的都是AlSi10Mg这样的常规合金，高强铝合金2024可能在金属3D打印里面成形起来相对比较困难，且材料也比较容易开裂。但是对于电子束来说，结合它的特点有它的适应性，我们在2024高强铝合金的成形上也做了一些拓展性的实验，得到一些比较良好的反馈结果，可行性是有的。

3、EBSM®打印周期？

电子束打印能量比较大，它是一种高能束，对于能量的吸收率比较高。基本上能量吸收率在65~85%，更高的可能能够达到90%以上，能量都被吸收后，能够充分的去进行零件进入原材料的打印和熔化。打印过程当中提高效率最直接的方式，就是增加层厚。我们可以在50~200微米层厚区间去可以选择所需要的打印层厚，电子束都可以有效进行穿透或者熔化。它的跳转速度比较快，点到点之间跳转速度能够达到1万米每秒的跳转速度。

电子束打印每一层要进行预热，预热完扫描打轮廓，轮廓扫完后去进行实体填充，所以整体打印的单层效率相对来说要快一点。加上打印的操控，基本上单枪的打印效率，相对于其它类型的金属3D打印，至少能够提升30%左右。在技术突破和拓展过程当中，我们做了2×2阵列式的多电子枪并联的装备，多电子枪并联进一步提升了打印效率。

在制造周期上，会比其它类型金属3D打印在整体的制造流程上短一步。第一打印效率有所提升；第二在整体的打印过程当中，至少少了热处理和线切割工艺环节，其实也是效率或者工序的减少，效率的提升。电子束打印的优势除了更多材料的可能性之外，更重要的核心优势就是高效低成本这样一个打印的特点。

4、EBSM®打印的技术优势？

电子束的打印特点来源于两部分：第一是能量源（电子束能系统），第二是真空打印。先说一下电子束能系统，高能的电子枪，能量吸收率和转化率都比较高，包括磁场透镜扫描，高速精准的、没有惯性的去扫描整体的粉床。熔材的能量强，打印层厚大。分束的打印快扫，后期技术精进能够实现一个“面打印”，效率是成倍成次方级递增的。另外是无烟尘的影响，因为电子束是真空状态下打印，当打印产生烟尘，它真空状态是一个负压直接把烟尘带走，是没有烟尘的打印。

对于电子束来说，粗细粉都可以打印，用粗粉零件的成本会更低一些，因为原材料很便宜。用细粉也可以打印，承受重力，摩擦力及库仑力均衡条件下，整个打印过程中相对比较稳定。

我们用粗粉的一部分原因，也是希望能够重力势能大一些去均衡摩擦力和库仑力这两个力。选择细粉肯定会得到一个更好的表面质量，我个人的建议，在金属材料密度比较大的前提下选择细粉，整体的工艺开发或打印过程相对是比较稳定的。比如钨钼钽这些密度比较大，咱们选择一个细粉去打印，相对比较靠谱一点。

真空预热粉床，真空打印消除了氧增量的影响，致密不变形、不开裂；可打印材料更广泛；极小的支撑省材料省工具；包括二次粉的回收率比较高。我们之间做过一个测试，用老粉打印，大概打印50~60炉次再去回收去测试老粉，老粉的氧增量大概没有超过50个PPM，整体氧增量都是比较可控的。

但我们一般情况下的打印，每炉打印下来之后用比例添加一些新粉，完全不用去考虑粉末循环利用过程当中氧增量的问题。另外，层叠打印，xy方向铺满电子束可以很轻松、很容易的在高度方向层叠去摆放零件，最大效能的去提升整个打印的立体空间，提升打印的产能和效率，这样平均到单件上的打印时间及成本都有大幅的降低。

总结一下电子束技术，就是高能电子束电磁偏转快，高粉末床温度真空环境，低应力制造结构适用性强，综合性能优越，疲劳性能突出，快速高效，满足应急打印需求，低成本满足批量打印需求。工业制造领域高效低成本是必要的基础条件。对于未来先进材料的选择，电子束的硬件和软件条件可能是一个最佳的制造手段和方案。

5、EBSM®打印金属零件是否需要支撑？

大家可能都在传说电子束的打印是不需要支撑的。大多数打印下电子束还是需要支撑的，但添加的数量和程度都是比较少的。比如说某一个圆度比较大了，或者某一个倾角比较大了，咱们打印下来成形的效果不是很好，它会有塌陷或造型不能够完整的打印出来。这个时候电子束也一样，都是需要添加支撑的，只不过跟其它类型技术的3D打印相比，咱们不用添加很多的支撑，去屏蔽应力。

同时对于温度场合作用力的控制比较好，咱们去打印零件添加支撑，所有的支撑都是添加不用生根的，而且可以悬空添加，整体的数量都是比较可控的。支撑真正是打印出来形成的一个实体，支撑添加多了，对于材料的浪费也是比较大的。

6、EBSM®打印金属零件如何降低成本？

电子束打印的成形效率，大概能比其它类型快30%左右，有甚者可能翻倍。当然根据不同的材料，不同的零件造型都是有关联性的。另外，综合的打印成本大概比其它类型低50%左右。从模型准备过程当中时间就比别人要短一些。其它类型的打印在模型准备过程中，需要工艺人员花费大量的时间及经验去做支撑。电子束前期的模型准备相对简单一些，大多数情况下，用咱们相应的模型处理软件去做自动添加支撑就可以了。

包括设备前期准备，粉末在充足的前提下，我们抽一下真空，把零件输入进去，抽一个真空就可以开始准备打印了。对于前期其它一些设备可能不是真空，还涉及到整个环境怎么去保持，需要一些时间来进行环境的准备。

我们抽真空的时间，比如小尺寸的设备200×200×200mm，基本上在半小时以内就能抽完真空。如果350×350× 700mm尺寸或更大设备在1小时左右就能把真空抽好，大概是这样的一个过程。

打印机时就不用说了，整体的打印效率都会更高一些，打印效率高了，计时费相对降低。另外原材料成本，粗粉原材料成本基本上能够比细粉便宜一半或者更多。

包括打印卸载之后，我们也不需要去做热处理线切割，对于一些特殊的材料，可能需要有一些热处理制度。去除支撑也比较简单，都是小支撑、悬空支撑。小支撑，短平快的用镊子，操作人员用很短时间，很容易的把支撑去除掉。

最终的后处理过程，大家需要做一些表面处理或者机加工的精度处理都是一样的。电子束整体全环节的打印和制造，当然有重复和重叠不一样的地方，整体的制造其实就是一个高效低成本的过程，在每一个环节上都有所体现，综合起来会得到非常好的一个制造成本。

7、EBSM®适用于打印什么样的材料？

对于其它金属3D打类型比较难成形或者成形不了的，电子束从理论上来说都比较适应。比如容易开裂的Mar-M247合金，脆性的钛铝合金，高反射铝，纯铜， TC21超强耐韧带疲劳钛合金材料，纯钨等新材料特殊一点的都比较适合电子束打印。

其它TC4、TA15等去打印一些航空航天或者工业上的产品和零件也都是适应的。3D打印的特点就是流程简短，电子束打印效率进一步提升。TC4、TA15这些钛合金，铸造的普通的铝合金，比如AlSi10Mg等等， 包括In738常规的镍基的高温合金，包括钢、模具钢等对于电子束来说，它制造的自由度比较高，不易开裂变形，效率高成本低。

对于裂纹比较敏感的、难加工的材料，这种钛铝、铌硅等金属间化合物，包括In738、M247等难焊高温合金，2系、7系等高强铝合金， TC21高强钛合金，还有钨这种难熔合金也都比较适合电子束去做。包括纯铜，低氧铜合金，单晶材料也都是这样。

目前对于航空航天，其它一些汽轮机行业里面，随着这些行业的要求越来越高，可能现在的环境温度在1000度左右可以满足需求，未来它的环境温度要提升到1500度、1600度甚至更高，这时候对于原材料的要求也会越来越高。对于更高要求的原材料，用什么样的手段能够把它所需要的性能造型、能够制造以及体现出来，对于电子束来说，可能是一个合适的选择。

8、EBSM®适用于什么样的行业？

通常意义来讲，电子束的3D打印，我们认为它就适合工业领域。对比传统制造和加工效率它还有提升和优化的空间，潜力很高。从现在它所表现出来特征来看，电子束的打印具备了能够在工业领域里面去进行实际接入和拓展的条件，高效低成本，以及零件和材料适用性的广泛。

比如航空航天，医疗，钻采行业，医疗领域去打印骨科的金属植入物。骨科植入物体积都比较小，加上电子束真空氧环境等，它的变量比较小，对于医疗来说比较好一些。这些零件的造型不大，电子束批量打印效率比较高，成本比较低。在医疗领域国际以及国内都已经开始铺开了，去做相应的接入到实际的生产和销售当中去了。

大家有所耳闻的医疗带量采购，国家放利于民，对于老百姓来说是件好事，但是对于医疗行业制造型的企业来说不是一个好事，它需要有更低的制造成本。可能头部的某些医疗公司还在选用电子束去制造相应的医疗金属植入物，这也能代表了一些问题。

钻采行业，国际比较头部的钻头企业，现在已经开始逐步使用电子束制造工艺去做硬质合金的钻头。之前的硬质合金钻头用粉末冶金制造，整体的耐磨性，抗组织性，孔隙率比较高，这些的性能体现都不是特别好，可以用，但不是理想的状态。用电子束打印硬质合金钻头，整体的耐磨性、抗腐性提升400%左右，是非常好的应用案例。包括航空航天行业，美国GE用电子束批量生产钛铝叶片在民用航空发动机上的应用案例。

包括新能源汽车的零配件，能源核电，一些特殊材料的需求都是可以的，往下辐射下一步可能是真正全覆面的工业领域。电子束的硬件基础可以做很多新材料的参数开发，科研性能探索。它的局限性、金属材料端接近性比较小，也非常适合于科研和教育领域。

9、EBSM®在未来制造中的表现如何？

我们大胆去畅想一下，比如一个零件大概五六百毫米高，零件也挺宽的。我们现在单枪的设备打印一炉只能打印一个，打印时间大概在120个小时左右，单件综合的成本价格大概在7万块钱左右，以现在的产能可能适合1万件以内的批产数量就已经达到产能上限了。按照这个产能来进行制造，它可能每年的产值也就是在400~1000万的一个量级。

现在我们的装备，效率是点能量线能量，后面电子束的能量比较大，加上它的跳转速度比较快，我们是不是能够形成一个面能量？当面能量形成之后，一个面照射下来直接就成形了。如果这样畅想下来，同样零件我可能需要两三个小时就能打印完成，综合成本可能从几万元降到几千元的水平。后续可能把多电枪的设备做得更大，我们可能能够从最多最高的产能，从1万家提升到可能10万家，也更能去结合真正工业生产的量级。

很多工业生产，像汽车领域，我做一件它可能日近亿生产值， LCR （日精益生产值）它可能就是几百件， MCR (最大日精益生产值)可能要多个50%左右，一年生产10万件量都不算大的，这也是基于电子束良好的基础，可以去想象和拓展的方向。同样单机的年产值可能就是千万以上的水平了，希望在未来的时光里面，我们能够精进自己的技术，能够实现这样的场景。

10、EBSM®技术上有哪些突破性进展？

大功率超高压电子枪技术，下一代可能会实现自主开发90千伏的超高压电子枪，进一步的去提升能量吸收率和穿透率，适应更大的层厚更快的打印的需求，同时也正在开发12千瓦以上的电子枪的技术。

多抢同幅技术我们现在已经实现了，也是我们今年一个新的突破，有新的量产的设备。阵列式多电子枪并联技术，我们自主开发了2×2电子枪阵列的打印技术，电枪之间的干扰小于10微米，电子束对于烟尘粉末飞溅，穿透能力极强，阵列式打印既可以拓展打印幅面，加大了更大打印幅面，又可以显著提高打印效率。

二次电子自动标定技术，自主开发的基于二次电子原理的自动标定技术，校准时间低于30分钟之内，束斑一致性在±10微米之内。在线的质量监控技术，自主开发的在线质量监测技术可以用于在线质量判定以及闭环控制，大幅提高打印的成品率，降低后续监测成本。

智能化无人化工厂，自主开发的远程实时监控系统，正在开发真空粉末自动添加系统、智能打印准备系统、智能取件以及粉末回收系统。

之前只有阿康在做电子束的打印，这几年同类型的电子束国外厂商也涌现了很多。电子束多枪技术，不管是同步预热，还是多枪阵列，在多枪打印上面，我们今年在技术装备端也有了新的成果，目前也只有我们真正意义上形成了量产型的装备，这是我们在电子束上突破性的进展。

来源：清研智束、霍尔榜联合