【解析】电子束烧结快速成形技术

快速原型制造技术是基于“离散/堆积”原理迅速发展起来的一种以CAD、数控技术、高能量束和新材料等多门技术为基础的新兴先进制造技术。 它的出现被认为是近年来制造技术领域内的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。它可以自动、直接、快速、精确的将在计算机上“看得见，摸不着”的设计思想产物转变为“看得见，摸得着”的具有一定功能的产品原型或直接制造零件。同时它也是一种在“分层制造”思想的基础上发展起来的制造技术，并在汽车、电子、国防军事、航空航天及医学领域得到成功应用。

1.3D打印工艺
目前已经出现了几十种工艺，其中常见的加工方法有：立体印刷成型（SLA），层和实体制造（LOM），激光选域烧结（SLS），熔融沉积制模（FDM），三维喷涂粘结（3DPG），焊接成型（Welding Forming）等。这几种方式都各有自己的特点和优势。十几年来，这些技术在国内外都得到了一定的发展，而且将成为21世纪制造业的重要组成部分。   

2  电子束快速成形技术的优点
目前金属零件快速制造工艺多数采用激光在气体保护下进行金属粉末的烧结或熔化。激光作为一种金属材料的加工手段，技术比较成熟、可控性好，便于实现数控，能够较好的实现材料的“离散/堆积”，成型激光烧结在小功率范围内应用比较经济，但是当烧结或熔化诸如钨、钛及高温合金特种性能金属材料关键件时有强度不够高的缺点。而电子束加工作为另一种高能束加工手段，它是采用高能电子束作为加工热源，成型可通过操纵磁偏转线圈进行。已在金属零件快速成型领域中得到应用，并显示出了一系列独特的优势：

1）功率能量利用率高  
电子束可以很容易的做到几千瓦级的输出，而激光器的一般输出功率在1 kW~5 kW之间。电子束加工的最大功率能达到激光的数倍，其连续热源功率密度比激光高很多，可达1×107 W/mm2。同时比起激光15%的能量利用率，电子束的能量利用率要高很多，可达到75%。  
2）对焦方便
激光在理论上光斑直径可达1 nm，但在实际应用中一般达不到。而电子束则可以通过调节聚束透镜的电流来对焦，束径可以达到0.1 nm。因而可以作到极细的聚焦。加工出的产品粒度高，纯度高，性能更优越。

3）可加工材料广泛
大部分金属对激光的反射率很高，熔化潜热也很高，从而导致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降低，使得熔池温度急剧上升，导致材料汽化。而电子束可以不受加工材料反射的影响，很容易加工用激光难于加工的材料，而且具有的高真空工作环境可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。这一点对钛及钛合金的加工尤为可贵。
4）成形速度高，运行成本低
电子束设备可以进行二维扫描，扫描频率可达到20 kHz，无机械惯性，可以实现快速扫描。且不像激光那样消耗诸如N2、CO2、H2等气体，价格相比较较低廉。只需消耗数量不大的灯丝。  

由上可知，电子束加工较激光加工有能量利用率高、可应用材料广泛、真空环境无污染、成形速度快等优势。  除此之外，电子束在金属焊接、电子束蒸发涂覆、电子束熔炼、电子束表面处理、电子束打孔、电子束制粉、电子束消毒灭菌、电子束显微技术等领域近些年来也不断得到发展，其应用领域也在不断的拓宽。许多研究工作还在继续深入，电子束技术在工业中的应用存在巨大潜力。总之电子束技术符合21世纪绿色制造的宗旨，正受到更多的关注和研究，可以预见电子束在金属零件快速制造技术领域必将占有主导地位。  

3  电子束快速成形技术的设备  
典型的电子束快速成形设备通常是由电子枪、工作室（亦称真空室）、真空系统、电源及电气控制系统5个子系统组成。电子枪是烧结设备中用以产生和控制电子光学系统的总称。现多采用三级电子枪，其电极系统由阴极、偏压电极和阳极组成。阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。偏压电极则可以通过调节其相对于阴极负电位的大小和改变偏压电极形状以及位置来调节电子束流的大小和改变电子束的形状。其中阴极的形状及其与偏压电极的相对位置是影响电子束斑点位置的重要因素。

工作室多采用低碳钢板制成以屏蔽外部磁场对电子束轨迹的干扰。工作室表面通常镀镍或作其他处理，以减少表面吸附气体，飞溅及油污等，缩短抽真空时间和便于工作室的清洁工作，形状应根据用途和被加工零件来确定；真 空系统是对电子枪室和工作室抽真空用的，该系统多采用两种类型的真空泵，一种是活塞式或叶片式机械泵，也被称为低真空泵，它用于将电子枪室和工作室从大气压抽到压强为10 Pa左右。它应与双转子真空泵（也称罗茨泵），配合使用以提高速度，并使工作室压强降到1 Pa以下，另一种是油扩散泵，用于将电子枪室和工作室压强降到10-2 Pa以下，电源系统包括高压电源、阴极加热电源和偏压电源。控制系统是指工作台、夹具、转台等辅助设备。  

国际上在电子束快速成形领域设备有瑞典、美国等国家，最为领先的是瑞典Arcam AB 公司研制并制造。  Arcam EBM S12设备技术参数为，成型空间：250 mm×250 mm×200 mm （长×宽×高，下同）；最大成形尺寸：200 mm×200 mm×160 mm；精度：±0.4 mm；熔化速率：0.3 m/s~0.5 m/s（依材料而定）；层厚：0.05 mm~0.2 mm（依材料而定）；电子束扫描速率：小于20 m/s；电子束定位精度：±0.05 mm；能量供应：3×400 V，32 A，7 kW；设备尺寸及重量：1800 mm×900 mm×2200 mm，1350 kg；计算机：PC，Windows2000，XP professional；CAD格式：STL；网络：以太网10/100；认证：欧洲CE。  国内在此方面比较成功的研究机构是清华大学机械系快速成形中心自主研发的“电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备”。   

4  电子束快速成形技术的现状
电子束烧结快速成形技术是在成形技术和大功率电子束蓬勃发展的基础上开始出现并迅速发展起来的一项新的先进制造技术。该技术借鉴了快速原型技术“离散/堆积”的增材制造思想，它正逐渐成为一种新的生产方式。  电子束熔覆/烧结技术，在国内外均刚刚起步，是目前快速制造技术研究的热点，也是电子束烧结技术发展的一个最新趋势。它由产品三维CAD模型数据直接驱动高能量密度热源—电子束，通过熔覆/烧结来组装材料微滴单元而直接快速制造出任意形状并具有特种性能的材料或零构件。

它将仅在零件表面和局部区域获得的优越的熔凝组织通过多层熔覆扩展到整个三维实体零件。从而能够实现具有高性能复杂结构致密金属零件的快速、无模具近净成形或仅需极少量的后续加工的近形件。同时它还充分的体现了电子束技术与快速成形技术的特点：高能量的电子束加工范围广泛；束斑直径极小的电子束加工时成型精确，减少了加工余量和后处理工艺；电子束技术提供的真空环境下减少了电子散射，降低了金属的氧化程度，还提供了一个良好的热平衡系统，保证了成型的稳定性。快速成形技术具有的高度柔性加工环境则提高了设计的灵活性，通过改变CAD模型文件可使设计人员方便、经济的对零件进行修改和补充，还可以灵活的改变零件不同部位的成分，使零件具有优异的综合性能；而且不需要制作昂贵的模具。生产周期短、效率高。

此外，材料利用率高，多余的粉末可回收而重复使用。这些特点表明电子束烧结快速制造技术具有广阔的应用前景，它不仅可用于零件的直接制造，而且还可以用来修复大的金属零件。该技术一经出现就成为发达国家和我国先进制造技术领域的研究热点。电子束烧结快速制造原理如图1所示。            

图1  电子束烧结快速制造示意图（清华大学提供）   

日本Osaka大学以及韩国Pohang大学等研究机构也使用电子束在基体金属表面熔覆金属粉末；英国伯明翰大学利用电子束对合金提纯以及表面改性方面也作了大量的研究。证明了电子束烧结的可行性。  美国麻省理工学院提出了电子束实体自由制造技术EBSFF（Electron Beam Solid Freeform Fabrication），EBSFF类似于激光近净成形制造技术，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，加工原料（金属丝）通过送丝机构被电子束熔化层层堆积而得最终产品。

美国NASA的Langley研究中心也开发出的类似于EBSFF的电子束自由快速制造技术（EB F3） 用于2219Al材零件的制造，它也是将金属丝原料送入聚焦电子束熔池内，一层层熔融堆积薄层组织而得预期零构件。上述电子束熔覆/堆积制造技术的特点是在一个较短暂的时间内（如1 s）电子束只加热整个成形区域中的一个局部，其原料随电子束焦点或工作台移动而依次完成熔化/烧结并沉积在成形区域内。

由于受到能量密度和材料烧结特性的限制，上述分层制造工艺为了通过一次性扫描完成材料的熔化/烧结沉积，电子束扫描速度或工作台移动速度受到限制，只能逐点或分区加热，材料粉末或金属丝也只能逐点或分区被熔覆/烧结。因此加热的均匀性较差，由于材料受热不均匀，烧结过程容易产生热应力。当加工完成后，若零件内存在较大残余应力必将对其精度和力学性能产生不良影响。特别是烧结过程中的热应力，严重时会导致零件翘曲。此外，上述制备工艺是以材料粉末或丝作为原料，并附以相关送粉/丝装置。以粉末为原料，真空系统在吸排气产生的气流及电子束的高速轰击都可能吹起或溅射出细小粉末，粉末原料飞散有损害真空室内运动部件的可能；而且送粉/丝装置的存在必然限制真空成形室的大小，一则直接影响设备的成本，二则不利于超大成形件的制备。  

目前比较领先的是瑞典Arcam AB公司开发的电子束熔化技术EBM（Electron Beam Melting），EBM工作原理与选择性激光烧结类似，都是先CAD建模，然后将模型按一定的厚度切片分层（即将产品的三维信息离散成一系列二维轮廓信息），但EBM在真空工作室内以电子束为能量源，电子束通过以二维截面数据信息驱动，有选择的对铺粉平面上铺展压实的粉末类原料进行轰击，粉末原料在电子束的轰击下被熔化/烧结在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部烧结完成。Arcam公司利用EBM技术制备出在抗张强度、屈服强度、弹性模量等性能均优于锻造件的Ti6Al4及H13工具钢，并针对该技术研制出Arcam EBM S-12快速制造设备，该设备可制备出的最大尺寸为200 mm×200 mm×180 mm，精度为±0.3 mm的快速成形件。EBM S-12快速制造设备及三维产品的制备方法在美国、中国等均申请了专利，并已得到授权。  

国内，清华大学激光快速成形中心联合国内主要的电子束设备提供单位进行了多方论证，开发出电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，并已在国内申请专利。他们发明的三维分层制造设备也是以粉末类材料为原料，但其电子束扫描控制装置可控制电子束在制定区域内以图形投影的方式快速扫描，均匀的加热粉体。该设备中电子束每一次扫描选定区域的时间极短，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成形区域就已经扫描完成，经过一帧或多帧扫描，成型区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所学的温度，并一起沉积到成形区域上，然后同步的降温。

由于整体成型区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成形的精度和质量。该中心采用电子束烧结316L不锈钢粉末的微观组织结构（如图2所示），其组织细密均匀，没有发现未熔颗粒。采用电子束烧结快速制造技术制备SiCP/ A1复合材料可摆脱传统工艺制造过程中陶瓷颗粒增强铝基复合材料易氧化、增强颗粒分散不均匀及界面结合差等制约其应用的难题，并能制造出任意复杂形状的结构件。  清华大学的这套电子束分层制造设备和工艺显然进一步发展了国际上现有的电子束熔覆/烧结技术。      

图2  电子束烧结316L粉末的微观组织   

5  存在的主要问题
电子束烧结快速成形金属零件技术是近几年来刚提出来的新课题，虽然取得了一些发展，并有一些成绩，但是该技术要获得广泛的应用，还须在几个方面进行深入研究：  
1）理论研究需要进一步深化，要建立制造过程的模型和三维数值模拟；  
2）需进一步提高粉末的输送精度和流量，提高对熔池的控制；
3）工艺研究需进一步系统化，解决工艺参数和成形精度，成形缺陷的消除和抑制等问题；  
4）需要进行大量的实验以确定在不同情况下，如何使成形精度和成形速度达到最佳匹配，提高成 形效率；  
5）开发适用于该技术的合金材料并发展电子束熔覆过程的实时观测技术。  

6  结  语  
电子束烧结与快速制造技术相结合作为一种金属零件快速成型技术，不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度及扫描速度快等优点，而且可以发挥快速制造无需工模具，开发周期短及制造成本低等优势。还有机的结合了电子束熔炼、粉末冶金及快速制造等诸多工艺的优点，必将在汽车、航空航天和医疗等领域得到快速发展和应用。具有非常广阔的应用前景。但目前该技术尚处于发展初期，基础问题的研究仍是当前研究的重点之一。

编辑：南极熊
作者：杨  鑫，汤慧萍，贺卫卫，刘海彦