电子束金属3D打印技术大变革：GE点熔化、粉末支撑、无底板

南极熊导读：电子束金属3D打印技术迎来重大变革，GE实现点熔化、粉末支撑、无底板打印了。

2024年9月2日，南极熊获悉，在今年6月份举办的RAPID+TCT2024展会上，通用电气航空航天公司（GE）旗下新近更名的Colibrium Additive发布了多项突破性产品，主要包括：

1.      软件：EBM Control 6.4，这是其核心电子束粉末床熔合 (PBF-EB) 软件的升级版。Colibrium指出EBM Control 6.4具备了三个最重要的更新功能，分别是点熔化（Point Melt）、粉末支撑（Powder Supports）和无底板（Plate Free）打印技术；

2.      设备：Spectra 系列电子束粉末床熔融 (EB-PBF) 打印机的最新款——SpectraM，以及Colibrium Additive Spectra L 打印机，这两款打印机均可运行EBM Control 6.4软件；

3.      材料：粗粒径钛合金粉末（Ti64）用于激光粉末床熔融设备的解决方案；

△SpectraM 3D 打印机。图片来自 Colibrium Additive。

点熔、粉末支撑和无板打印术

Spectra M 款打印机配备了新推出的 EBMControl 6.4，兼容PointMelt、Powder Supports 和 Plate Free 技术。根据应用，客户可以选择高生产率主题或先进的 Point Melt 工艺功能，旨在实现无支撑打印，而不会影响表面粗糙度或机械性能。

△Colibrium拥有 Spectra 机器和配套的 EBMControl6.4 软件

此外，Colibrium Additive 发布了 EBMControl 6.4，这是对其 EB-PBF 软件的一次重大升级。此次升级包括 Point Melt、Powder Supports 和 Plate Free 等创新功能，适用于新款 Spectra M 和现有的 Spectra L 打印机。

点熔技术（Point Melt）通过小“点”而不是线来熔化金属粉末，从而实现更精确的温度控制并降低温度梯度。Colibrium声称，这可实现优异的各向同性材料性能，并显著提高屈服强度，从而实现更大的取向自由度并改善表面粗糙度。一份新闻稿解释说，使用 Point Melt 制造的部件具有出色的表面粗糙度，与激光粉末床熔合相当。对此，Colibrium Additive 高级产品经理Oscar Angervall解释道：“ Point Melt 采用自适应软件算法进行控制，标志着熔化扫描策略的重大变革。金属部件可从减少构建悬垂结构所需的支撑和提高表面质量中受益。”

△通过EBM Point Melt 技术实现的微结构控制。图片来自 Colibrium Additive。

粉末支撑技术（PowderSupports）一种在构建过程中设计部件支撑结构的新解决方案，显著减少或消除了构建过程中对支撑结构的需求，保持了尺寸精度，同时降低了后处理成本。之前一般都是SLS 激光烧结中，尼龙、TPU等高分子粉末材料才可以实现粉末支撑，现在GE实现了金属粉末的自支撑。

无底板打印技术（PlateFree）是传统“启动板加热”的替代方案，它提供了一种经济高效、无需干预的构建方式，减少了机器周转时间和污染风险，并允许每次机器周转进行多次构建。在无板加热启动过程中，粉末逐渐烧结到可以在其上构建零件的程度，从而带来质量和成本方面的优势。这些优势包括：

• 减少机器周转时间并减少对操作员的依赖；
• 降低污染风险，延长阴极寿命；
• 每台机器周转一次即可启动多个构建任务；
• 消除对一个笨重、空间大且昂贵的耗材的需求；
  

此外，Plate Free 与Start Plate Heating 均设置了主题，因此无需在打印任务之间进行切换。

与Seurat区域烧结金属3D打印技术对比

与上述提及的GE点熔打印技术中采用“点状”高能束熔化粉末类似，此前的 Seurat公司同样开发出了一种区域烧结金属3D打印技术。Seurat的专利技术在原理上与SLM技术近似，但仍有不同点，Seurat的这种新技术不是增加激光源的数量，而是使用一种全新的光束处理方法来增加每次的熔化量。常规的金属增材制造系统的光斑直径为100微米，对于单激光系统，就是使用直径100微米的激光进行扫描打印。而Seurat系统将200万个激光点射向15平方毫米的方形区域，每个光点的直径大约为10微米，也就是说一次打印一个区域。该技术的具体实现方式为：

1. 脉冲红外激光源的光束整形可产生均匀的方形场。

2. 使用蓝光投影仪生成与方形激光束大小相同的区域图案投影,对齐两束光束。

3. 通过光学可寻址光阀 (OALV)水平偏振红外激光束，其中蓝光和红外光“像素”重叠。垂直偏振，红外和蓝色不重叠。

4. 分离垂直和水平偏振红外激光束，从而通过扫描仪系统进一步处理区域图案，以在图案区域中熔化粉末床。

南极熊剖析一下，可能你会更容易理解这个技术的厉害之处：

• 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面积相当于15平方毫米，而常规单激光100微米直径的光斑面积仅仅为0.0078平方毫米，两者相差近1000倍，也就是说最多可以实现单激光系统1000倍以上的熔融效率；
• 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度却能达到传统单激光的10倍。
  

在本文中提及的GE点熔打印技术是将能量源从激光变成了电子束，所采用的投射方式与Seurat相同。南极熊猜测，这里提及的点状激光应为脉冲激光模式，与常规的连续激光模式有着各自的优缺点。

常规SLM技术多数采取的是连续激光模式，它是连续激光器以恒定的功率输出激光，不间断地提供激光能量。连续激光器可以提供恒定的能量输入，适合于快速打印大面积结构，提高整体的打印效率。此外，由于能量输入连续稳定，连续激光器在打印过程中能维持稳定的热输入，有助于保证打印件的均匀性和一致性。相对于脉冲激光器，连续激光器的设计和制造成本通常较低，更加经济实惠。但是，连续激光由于长时间的热输入，容易导致材料周围产生较大的热影响区，可能引起变形或残余应力。热输入较高也会导致打印部件的细节分辨率较低，不适合超精细结构的制造。

与之对应的脉冲激光以极高的功率输出短时间的光脉冲，每个脉冲持续的时间通常在纳秒到飞秒级别。脉冲激光能量在非常短的时间内集中释放，通常能达到更高的峰值功率。脉冲激光可以实现非常精细的加工，适合制造微小的、复杂的结构。由于脉冲时间短，可以减少热影响区，避免材料过度熔化或热变形。由于其高峰值功率和短脉冲时间，脉冲激光可以产生更高的分辨率，适合用于高精度需求的应用场景。但是由于脉冲模式的特性，脉冲激光通常需要更多的时间来覆盖相同的面积，导致整体打印速度较慢。想要实现高效率的打印效率，就需要在激光投射方式和激光器上做出更多的改动，以实现更大面积的激光覆盖，这也是Seurat激光系统的核心之处。当然，这样会使得激光器的制造和维护成本升高，增加了设备的复杂性和成本。

综上而言，点状的脉冲激光适合于高精度、高分辨率的微细加工应用，尤其是在处理对热敏感的材料时表现优越，但打印速度较慢，设备成本较高。连续激光则适合大面积、快速制造的应用场景，具有更高的效率和稳定性，但在细节和热管理方面可能不如脉冲激光。

Spectra M 电子束熔融（EB-PBF）打印机

规格：

• 技术原理：金属电子束熔炼（EB-PBF）
• 构建体积： Ø270 x 430 毫米。
• 光束功率： 4.5 kW
• 材料： Ti6Al4V 5 级和Ti6Al4V 23 级
  

Spectra M新款打印机的推出了丰富了Colibrium Additive的电子束熔融（EB-PBF）打印机系列产品，公司已有的三款 EMB 机器分别是：Q10plus、SpectraL 和 Spectra H。该机器现已接受订购，预计首批交货时间为 2025 年第一季度初，它满足了对较小构建体积 EB-PBF 打印机的需求，同时保持了电子束熔化技术的设计自由度和生产力优势。

Spectra M 的开发是为了满足增材制造商的特定需求，尤其是医疗和骨科植入物行业的制造商。Spectra M 较小的构建体积为降低单件成本和总体生产成本提供了解决方案。Spectra M版本的机器规格为Ø270 x 430 毫米的构建体积和 4.5 千瓦的光束功率，比 Q10plus 更大，支持 Ti6Al4V Grade 5 和 Ti6Al4V Grade 23 等材料。Colibrium表示这允许它更加经济高效地生产骨科植入物。M版本和 Q10plus 之间的区别在于 M 中有一个全新的圆柱形构建室和一个更强大的电子束（4.5 kW 对 3 kW）。SpectraM 旨在处理 Ti6Al4V 5 级和 23 级材料，就像它的“大哥” Spectra L 一样，也配备了 4.5 kW 电子束。

Colibrium Additive 高级产品经理 Oscar Angervall 强调了客户反馈在开发过程中的重要性，他表示：“拥有经验丰富、长期使用的最大用户群，为我们不断改进产品组合提供了宝贵的见解和帮助，以提供满足他们特定需求的 EB-PBF 技术，因为他们将继续扩大增材制造业务。Spectra M 直接响应了我们与客户之间的持续对话，尤其是骨科植入物行业的增材制造用户。”

粗 Ti64粉末材料L-PBF应用方案

此外， GE Aerospace 的金属粉末公司AP&C还推出了一种粗 Ti64 粉末解决方案，旨在降低零件成本。这种材料采用 15-45 μm 和 15-53μm 范围内的较大尺寸颗粒，与传统用于激光粉末床熔合 (L-PBF) 的细粉末相比，通常被认为是粗颗粒。尽管尺寸较大，但这些颗粒保持了高质量标准，适用于航空航天和骨科领域的关键应用。这种新粉末经过验证，可用于 Colibrium Additive 的 M2 激光 PBF 平台，其质量与细粉末相同，但颗粒尺寸更大，因此更具成本效益且更安全。粗Ti64 粉末反应性较低，可降低污染风险并提高材料的可重复使用性。

粗 Ti64 粉末解决方案代表着在降低增材制造成本的同时保持高质量生产标准方面迈出了重要一步。这项创新符合行业对更具成本效益的粉末的需求，并努力最大限度地减少增材制造对环境的影响。

GE Aerospace还表示，其 3系列金属粘合剂喷射系统已实现商业化。虽然这家企业巨头投入了大量资源来开发这种粘合剂喷射解决方案，但Colibrium 在 RAPID+TCT 上的声明反映了GE 增材制造部门在其产品线中的持续进展。粘合剂喷射显然对于开拓蓬勃发展的市场至关重要.

Colibrium Additive 近期取得的里程碑

作为战略调整的一部分，Colibrium Additive 从 GE Additive 更名而来，目前隶属于 GE Aerospace。此次转变包括逐步淘汰 Concept Laser 和 Arcam EBM 品牌，同时更新 AP&C 的品牌，使其与 GE Aerospace 的形象更加一致。

新名称 Colibrium Additive 源自“协作(collaborative)”和“平衡(equilibrium)”的融合。该公司于 2016 年收购Concept Laser 和 Arcam后成立，此次更名旨在将公司的增材制造能力统一到航空航天领域的一个有凝聚力的品牌下。

在其他地方，Colibrium Additive为辛辛那提动物园11 岁的大猩猩Gladys制造了专门的3D 打印钛铸件，以治疗其肱骨骨折。这款先进的铸件经过精心设计，可承受 Gladys 的自然活动并防止进一步受伤，并经过量身定制，以满足大猩猩独特的治疗挑战。据动物园官员称，Colibrium Additive 的快速生产周转凸显了其在满足精确医疗要求方面的有效性。