25年过去了，电子束和激光粉床熔融技术有哪些令人兴奋的变革？

导读：半个多世纪以来，关于激光和电子束这两种能量束中究竟哪一种更适合成为精密焊接金属的可行技术，学术界一直争论不下。其中电子束能产生更深的焊接穿透力，但需要真空来防止光束散射，这意味着昂贵的真空室限制了应用的规模。激光的焊缝穿透力较小，不需要真空，也不受真空室的限制，但容易受到气体污染的影响。所以，它们都有各自的价值主张和应用，。

时间倒退到80年代末和90年代初，美国、德国和瑞典的研究人员开始电子束和激光将腔体内的金属粉末床焊接成复杂的三维形状。增材制造（AM）的激光粉末床熔融（LPBF）和电子束粉末床熔融（EB-PBF）技术由此诞生。LPBF由SLMSolutions和EOS在90年代中期实现商业化，而EB-PBF则由Arcam AB在1997年实现商业化。

△EOS的AMCM M 290-2 1kW 激光粉末床融合系统能够以精细的几何精度 3D 打印铜部件

将电子束和激光粉末床熔融技术作为竞争技术进行比较可能是不公平的，但25年后，由于各种原因，EB-PBF在整个金属增材制造市场的应用方面仍然远远落后于LPBF，这已经不是行业秘密。

激光与电子束增材技术的发展趋势

下图展示了不同机器原始设备制造厂家的EB-PBF技术在不同时间段的发展历程，该图揭示了两个有说服力的观察结果：

1.      近 20 年来，Arcam 主推LPBF增材制造技术应用，并与其他使用LPBF技术的制造商展开竞争。

2.      GE 于 2016 年收购 了Arcam公司 ，进军增材制造市场，随后至少有六家新公司同样进入了这一行业。

△EB-PBF机器OEM的演变。图片来源：巴恩斯全球顾问公司

让我们试着将其进一步分解。了解电子束和粉末特性之间的相互作用，避免粉末冒烟等问题，以及提高高压架构和真空室的可靠性和稳定性，这些都是复杂的问题，并提高了新入局公司应用EB-PBF技术的门槛。

EB-PBF很难达到LPBF设备的生产效率。对零件制造商来说，为了实现在无残余应力的情况下以更高的层厚进行快速打印，需要对真空度、冷却速度、阴极更换频次和改善零件表面光洁度所需的时间进行控制。

与LPBF技术相比，EB-PBF的核心优势在于它能够熔化高温、易裂和反射的合金。该技术主要针对于像钛这样的高价值、可焊接的金属，以在医疗和航空航天市场占领高地。对于EB-PBF技术，探索工艺参数需要进行大量培训，并且研究界缺乏一个开放的机器平台，这些不利因素遏制了其他材料的开发，也使得EB-PBF成为钛合金的专有代名词。

然而，这些都是可以解决的问题。解决这些问题只需要资源，并通过竞争来保证这些资源。

在同一时间段内，激光粉末床熔融技术成为金属增材制造创新的温床，并受益于大大小小几个参与者的激烈竞争。每一个新的参与者和每一台新的机器都试图改善LPBF工艺的经济性，使其更适合市场应用。

从下图我们可以看到，在金属加工领域，激光增材技术（LPBF）靠着外界能够提高生产力的宣传正在缓慢向上发展，而电子束增材技术（EB-PBF）仍在发展的低谷中挣扎。

△EB-PBF和LPBF在Gartner炒作周期中的地位。图片来源：巴恩斯全球顾问公司

有利的宏观趋势

通用电气增材公司在2016年收购Arcam之后，为这个领域注入了新的生命力。它在相当短的时间内连续推出两台新机器，旨在提高生产力和开发新材料。在过去五年中，至少有六家新公司进入了这个领域，争夺EB-PBF的未开发潜力。

这些新进入者的时间也与一些宏观趋势相吻合，使商业环境更有利于采用增材制造。总的来说，制造业对增材制造的认识已经提高，这是推动所有增材制造“船只“向前发展的潮流。Covid-19病毒的大流行暴露了供应链缺乏弹性，促使美国等领先经济体重新关注提升国内制造能力。当像增材制造这样可以在几周内提供替代品而不需要任何工具的技术出现后，制造行业便开始逐渐减少对传统铸造技术的依赖，毕竟它的制造周期长达52周。在航空航天和医疗等管制行业中也开始不断涌现新的增材制造认证和资格标准，使参与规则比以前更加明确。更好的设计软件、更好的培训和意识以及更好的整体价值链使更多的增材制造应用成为可能。

增材制造行业的重点逐渐从昂贵的探索性项目转移到需要坚实商业案例的主流生产应用。对于增材制造来说，该行业需要可靠的、可重复的、能够提供高产量和生产率的机器。

今天的EB-PBF市场有什么新特点，让我们对其光明的未来充满希望？从宏观上看，我们看到十年前推动LPBF的相同因素，现在正在形成，以推动EB-PBF进入一个富有成效的生态系统。

EB-PBF的黄金时代

Freemelt、Wayland Additive、JEOL、Mitsubishi Electric、QBeam和Pro-beam这六家新加入的公司，各自有不同的起源、优势和战略。

Freemelt公司的根源可以追溯到瑞典，其创始人来自Arcam。该公司成立于2017年，其战略似乎是通过一个开放的机器平台来涉足更广泛的研究领域，以加速新材料和应用的开发，推动市场采用，并随后转向工业生产。Freemelt的发展、规模和提供可靠的工业系统的能力将是将新材料过渡到生产应用的关键。

天津清研智束科技有限公司（QBeam）于2015年从中国的清华大学分离出来，连同其毕业生团队，宣传了两台针对医疗和航空航天业的EB-PBF机器，以及第三台仅针对材料研究的机器，与Freemelt公司很相似。随着2017年的首次发布，该公司已经积累了五年的成熟期，比这个名单上的任何其他公司都要多。虽然目前是一个区域性的参与者，但他们闯入全球舞台可能只是一个时间问题。

Pro-beam公司来自德国，在电子束和激光焊接、微钻行业和表面涂层方面积累了丰富经验。该公司正瞄准小尺寸、高生产率的应用空间，在Formnext 2021展会上推出了EB-PBF设备，与基于线材的系统一起。该公司拥有一系列的市场特征，如工艺平行化、电子光学原位监测系统和独特的曝光策略以实现更好的热量分布，预计这个新加入的公司将进一步阐述其工业化计划。

日本也加入了这个游戏，在2014年进行了战略投资，将工业界和学术界联合起来，以开发新一代工业3D打印机并将其商业化。这导致了两个新的EB-PBF参与者：三菱电机的TADA Electric Co.和JEOL。

TADA与Pro-beam一样，旨在将其电子束焊接技术带入EB-PBF市场，其机器功率为6千瓦，并声称其阴极寿命为1000小时。声称是日本第一台EB-PBF机器，三菱电机的品牌和全球影响力可能有助于该机器在市场上获得更广泛的接受。

另一方面，JEOL拥有70多年的电子光学生产经验，以及50多年的电子束计量和光刻技术，并在北美RAPID 2022展会上发布了工业级打印机，引起了轰动。有趣的是，JEOL进军增材制造领域的策略与Freemelt正好相反，它是直接聚焦于比研发型打印机更难的工业级打印机，这一战略表明JEOL可能愿意将其工业准备工作押在其电子束研究基础和其在130多个国家建立的全球服务网络之上。此外，JEOL已经宣传了直接针对EB-PBF痛点的创新解决方案。例如，该公司的专利真空技术，据说可使阴极寿命达到1500小时以上，是EB-PBF设备中最长的。JEOL对粉末冒烟问题的解决方案是一个物理屏蔽，被称为 "电子屏蔽"，它消除了对氦气的需求，这是一种昂贵的不可再生资源。JEOL还引入了其半导体光刻技术的专业知识，在打印过程中自动纠正电子束的焦点和形状，以确保零件的高度准确性和可重复性，这是工业机器的一个关键要求。

Wayland Additive是一家获得A轮融资的英国初创公司，它试图将成熟的电子束技术从半导体行业转移到增材制造行业中。他们的主要重点是利用称为NeuBeam的电荷中和技术来解决粉末冒烟问题，该技术使用活性离子流。Wayland还采用了热部件工艺，而不是热床工艺，在热床工艺中，高温只应用于构成被打印部件的粉末，而不是整个粉末床。这可以使冷却速度更快，并便于粉末的清除。Wayland的市场战略似乎是一种具有开放参数的工业机器，可以让客户开发他们选择的材料。虽然Wayland作为一家初创公司的敏捷性可能是有优势的，但人们希望它能够解决制造强大的工业机器进行批量生产的严格要求，并在寻求扩大规模时建立一个服务网络。

△作为“热部件”而非“热床”工艺，NeuBeam 3D 打印只需要对部件的横截面进行预烧结，从而缩短了构建时间。未使用的粉末保持松散，这也简化了后处理。照片：Wayland Additive

EB-PBF的发展方向是什么？

从建造量和目前可供选择的材料数量方面对EB-PBF机器进行映射（见下图），我们可以发现在不同的市场类别中存在竞争：研发/医疗、典型尺寸和大尺寸应用。Freemelt One（0-6k-W光束）和QBeam Lab 200（3k-W光束）显然是针对小批量的快速材料研究和开发。GE Arcam Q10+（3千瓦光束）和QBeam Med 200（3千瓦光束）是专门为医疗行业提供的产品，其中骨科植入物等部件的占地面积很小。GE Arcam Spectra L（4.5千瓦光束）、Wayland Calibur 3（5千瓦光束）和QBeam Aero 350（6千瓦光束）可以满足利基市场对激光器无法实现的大型部件打印的需求。JEOL JAM-5200EBM（6千瓦光束）和GE Arcam Spectra H（6千瓦光束）在引入新合金的典型应用空间方面有直接的竞争，目前大多数非医疗生产应用都属于这一领域。

△EB-PBF机器的比较。图片来源：巴恩斯全球顾问公司

所有三个类别的竞争将有望迫使产品差异化，促进人员和思想的流动，并帮助解决EB-PBF的痛点。

南极熊评论

南极熊认为，随着新入局者开放平台以开发和优化新的工艺参数，并专注于提高原位检测能力，EB-PBF的尖端技术必将加速新合金的开发。金属间化合物、功能分级多元材料、形状记忆合金、耐火材料和铜基合金可以帮助解锁医用髋关节杯和喷气发动机叶片以外的新应用，如热传导、切削工具、机电马达、耐磨产品、核反应堆部件和其他高温应用。可以肯定的是，电子束增材制造的精彩时代即将到来。