电子束熔化(EBM)：真空中的金属3D打印革命

电子束熔化（EBM）是一种在真空环境中利用高能电子束熔化金属粉末的增材制造技术。该技术特别适用于钛合金、镍基高温合金等材料的加工，能够制造出高密度、高性能的金属零件。EBM技术在医疗植入物和航空航天领域得到广泛应用，可生产符合严格要求的骨科植入体和航空发动机涡轮叶片。其工艺特点包括高温加工环境、高粉末回收率和较低残余应力，在批量生产复杂零件方面具有显著优势，为高端制造业提供了重要的技术支撑。

在高度真空的制造室中，一道精密的电子束按照预设轨迹轰击金属粉末，瞬间产生高温使其熔化并逐层构建出致密的金属零件，这就是电子束熔化技术（EBM）带来的制造创新。

电子束熔化（EBM）或电子束粉末床熔合（EB PBF）是一种利用高能电子束而非激光，在真空环境中将金属粉末逐层熔化成型的三维打印技术。

这种技术能够生产出高密度和良好机械强度的零件，适用于涡轮叶片和髋关节植入物等领域。

01 EBM技术原理与工艺特点

电子束粉末床熔合技术最初在瑞典哥德堡大学发明，并由Arcam AB（现为GE Additive）实现商业化开发。

与激光粉末床融合（LPBF）不同，EBM使用电子束作为能量源，在真空中进行加工。EBM工艺需要在高真空环境（通常真空度在5×10⁻⁵ mbar级别）中进行，以防止电子与其他气体粒子碰撞导致电子束偏转。

真空环境还能有效防止金属粉末在高温下氧化，避免热金属中形成气泡，使打印部件达到良好的脱气效果，形成均匀平滑的金属层。

EBM工艺过程中，构建室温度可以加热到1000°C的高温，这被称为"热"工艺。电子束能够在开始实际熔化过程前预先加热每一层粉末，减小成形零件的残余应力。

02 EBM技术的优势

电子束熔化技术具有多项显著优势。EBM能够处理高温、易开裂和反光合金，如铝化钛（TiAl）等难加工材料。

该技术生产的零件密度高，具有均匀的微观结构和良好的机械性能，将热处理需求减少。EBM工艺中未使用的粉末95-98%可回收，材料利用率高。

与激光粉末床融合技术相比，EBM通常需要更少的支撑结构，因为在打印过程中，周围的粉末会在零件周围"结块"，降低了支撑结构的需求。

EBM还具备生产效率较高的特点，能够将单独的部件"堆叠"在彼此的顶部，提升生产力。典型的应用案例是制造用于髋关节置换的髋臼钛杯——Amplify Additive成功在一次构建中制造了54个杯子，而激光打印一次只能制造12个。

03 技术挑战与局限性

尽管EBM技术具有诸多优势，但也存在一些局限性。EBM设备的打印体积有限，目前构建尺寸约为600mm×600mm×700mm。

材料选择相对有限，主要限于导电金属和合金，如钛、铝、铜、镍和钢等。EBM设备设备和材料成本较高，后处理前表面光洁度需要改善。

内部通道或空腔需要易于接近，否则在后处理过程中无法去除烧结粉末。与SLM相比，EBM的细节分辨率较低，这是因为电子束的尺寸更大，也因为在EBM中通常使用更粗的粉末和更厚的层。

完成打印后，拆卸前需要冷却部件，且产生电子束的阴极需要定期更换，建立真空也需要较长时间。

04 应用领域与典型案例

EBM技术在多个高性能行业得到了应用。在医疗领域，EBM实现了更多的设计自由度，同时满足了医疗行业对良好机械性能的要求。

除了髋臼杯外，其他骨科植入物，如股骨膝关节组件、胫骨托、膝关节和脊柱笼，都是在EBM机器上制造的。4WEB Medical制造了基于桁架结构的钛椎间融合装置。

航空航天业是电子束熔化的另一个重要市场，各种飞机发动机的涡轮叶片均采用该技术生产。

Avio Aero与Arcam和GE合作，使用EBM技术生产涡轮叶片。EBM能够处理铝化钛（TiAl）这种比通常制成叶片的镍合金轻50%的材料，使一套完整的3D打印涡轮机减轻发动机重量。

在工业领域，GH Induction利用EBM能够处理纯金属的优势，生产高纯度的铜线圈，这些线圈的使用寿命比传统同类产品有明显提升。

05 市场前景与发展趋势

近年来，EBM行业迎来了数量显著的新参与者。Ampower预计，未来几年EBM竞争格局的整体增长将使新应用在经济和技术上可行，并增加EBM系统在粉末床融合市场中的份额。

当前的行业采用了更开放的知识创造和共享方法，帮助EBM市场发展并从由此产生的商机中共同受益。

专门为材料开发而设计的开源系统和机器也越来越多，如Freemelt、Wayland Additive、QBEAM和西安赛隆增材等公司提供定制的开放式粉末研发机器。

Wayland Additive及其专有的NeuBeam技术有望改变当前技术格局。这家英国初创公司使用无需预烧结的电荷中和技术，能够显著加快打印过程并消除粉末结块。

06 设备制造商与技术发展

GE Additive（Arcam）作为EBM技术的先驱，目前提供三款EBM机器：Arcam EBM Q10plus（针对医疗植入物生产优化）、Arcam EBM Spectra H（适用于高温和易开裂的合金）和Arcam EBM Spectra L（专为提升生产力和制造大件零件而设计）。

日本电子光学公司JEOL凭借多年的电子光学经验进入了增材制造领域，推出了其电子束机JAM-5200EBM，具有无氦真空技术和长寿命阴极（可运行超过1500小时）。

这些技术创新推动着EBM技术的发展，拓宽了其应用范围和生产效率。

EBM技术正从航空航天和医疗领域走向更广阔的民用市场。随着铝合金、不锈钢、铜合金逐渐占据重要地位，EBM技术的年增长率预计将达到可观的46.6%。

电子束熔化技术已经发展成为制造领域的重要技术环节，为制造业从传统模式向智能化、数字化转变提供了技术支持。

随着新技术和新材料的不断开发，EBM有望在更多领域展现其价值，推动制造业向更高水平发展。