髖關節植入物堆垛。每個零件之間緊密（mì）地堆放有燒結（jié）粉末，並且沒有支（zhī）撐結構。（智束科技供圖）

在（zài）過去的20年中，金（jīn）屬增材製造領（lǐng）域出現了許多經過不斷開發改進（jìn）、並經過檢驗的成熟技術。這些技術使用各種原料（liào），例如粉末、金屬絲以及金屬棒（bàng）。有些工藝將能量（liàng）直接施加到材料上以製造零件，有（yǒu）些工藝則先製造一（yī）個預製坯，然後再進行燒結以得到具有足夠冶金性能的金屬部件。

在金屬增材製造市場上，激（jī）光粉末床熔合（PBF-LB）占據著顯著的，甚至近乎主導的地位。其主要優點（diǎn）是：以合理的高分辨率生產多個零（líng）件，甚至是大型零件；工藝過程易於理解，成形穩定，結果可預測。當然（rán），這（zhè）項技術也有它的缺點和弊端。

相較之下，與PBF-LB相（xiàng）似的電子束粉末床熔合技術（PBF-EB）盡管（guǎn）在技術上受人尊（zūn）敬，但（dàn）在應用當（dāng）中似乎不被重視。PBF-EB盡管在許多應用領域都具有前景可觀的價值潛力，但采用（yòng）率（裝機量）遠遠（yuǎn）落後。

那麽，為什麽PBF-EB在采用率方麵遠遠落後於PBF-LB？在下（xià）麵的文章中，草莓视频污在线观看將研究PBF-EB和PBF-LB的優缺點，並嚐試預測PBF-EB的發展方向。

金屬增材製造行業谘詢公司Ampower估計，到2019年底，包括PBF-LB和PBF-EB在內（nèi）的金屬粉末床熔合設備的安裝數量為9,111台。根（gēn）據Wohlers報告發布的數據，在2018–2020年間，草莓视频污在线观看可以估計（jì）其（qí）中（zhōng）隻有6％左右（約510台）是PBF-EB機器。這意味著，每（měi）售出1台PBF-EB機器（qì），PBF-LB機器的供應商售出了16台以上的（de）機器。

對此的解釋可（kě）能是：PBF-LB比PBF-EB出現的更早（zǎo）？然而，人類在120多年前就發現（xiàn）了電（diàn）子束（shù），直到60年前才發明了激光。文獻中有證據表明，使用電子束熔化金屬粉末的早期工作（zuò）是由比利時魯汶的（de）Katholieke Universiteit的一（yī）個小組在1991年完成的。
而（ér）第一台使用激光的金屬PBF機器於1994年開（kāi）始商業化，在時間上並沒有優勢。

它是如何工作的，為何與眾不同？

PBF-EB是一種利用（yòng）電子束輻照金屬粉末並使其熔化的增材製（zhì）造技術。首先，在基板上鋪設一薄層金屬粉（fěn）末，電子束輻照（zhào）整個粉末層，對粉末層進（jìn）行加熱。電子束的寬範圍掃描輻照，可以將粉末加熱到需要的溫度。該溫度取決於所成形的材料，對於Ti6Al4V該溫度高達800°C左右，其他（tā）材料甚至需要更高的溫度。粉（fěn）末被預熱後，電子束被電（diàn）磁場偏轉，將能量（liàng）輸入至粉末層，將粉末（mò）繼續加熱至熔點之上，選擇性地熔合（hé）粉末（mò）層。之後，降低成形平台，並在成形區域（yù）中鋪設一層新的（de）粉末。連續地（dì）逐層加熱和選擇性熔合（hé）粉末層，最終堆（duī）積形成和3D模型一（yī）致的形（xíng）狀。

成形結束後，被加熱但未（wèi）熔化的粉末（mò）包裹在完全熔化的（de）零件周圍，形成一個（gè）燒結的“蛋糕”，需要在（zài）後處（chù）理（lǐ）步驟中去除並回收。該後處理步驟類似機械噴砂，“蛋糕”被打散成粉末。

PBF-EB機器的基本結構包括電子（zǐ）束槍、引導電子束掃描所需形狀的電磁線圈、內有鋪粉機（jī）構的真空室。通常，電子束的最（zuì）大功率為3-6kW。電子從（cóng）加熱的燈絲或晶體發出，並通過高電壓加（jiā）速。電磁線圈對電子束的聚焦和定位過程，類似於光學（xué）透鏡（jìng）對激光束的聚（jù）焦和（hé）定（dìng）位。在成形過（guò）程中，成形室和（hé）電子（zǐ）束槍始終處於（yú）真空狀態。準備所需的真空環境（jìng）大約需要一個小時。成形結束後，腔室內將充滿惰性氦氣，以加快冷（lěng）卻過程。在氦氣（qì）中冷卻幾個小時後，才可以打開成形室，使其安全地暴露在空氣中而不會發生粉末氧化。

智束科技開發的（de）大型（xíng）PBF-EB設備，電子束功率6kW，采用單晶陰極，鈦合金成形尺寸350*350*500 mm

雖然PBF-LB和PBF-EB都具有選擇性熔化金屬粉末層的基本功能和形式，但兩種技術之間存（cún）在係統化的差異（yì）。最顯著的差異是：PBF-LB需要機（jī）械振鏡控製激光束的矢量式掃描。

在（zài）PBF-EB中，電（diàn）子束的偏轉沒有質量，也沒（méi）有慣性，因此可以使電子束幾乎在一瞬（shùn）間（jiān）掃描整個成形區域，並且同時產生數十個熔池。

六大常見誤解

關於PBF-EB，存（cún）在許多被誤導（dǎo）或者不準確的認識。這些（xiē）誤解主要是由於PBF-EB在（zài）商（shāng）業上遠遠落後於PBF-LB的事實。落後的原因主（zhǔ）要在於：PBF-EB在其發展初期是一（yī）種更為（wéi）複雜的技術。結果（guǒ），技（jì）術人員和操作人員發（fā）現這項技（jì）術難以掌握，盡管電子（zǐ）束在發明激光之前就已經有很多用（yòng）途。另一個原因可能是，金（jīn）屬增材製造技術的許多潛在用戶選（xuǎn）擇了更容易上手的PBF-LB技術（shù），這是基於銷售統（tǒng）計數據的一個（gè）合理推（tuī）測（cè）。

對PBF-LB的誤解某種程度上抑製了這項技術的進步和潛力，因此，有必要厘清這些（xiē）誤解（jiě）。

1.PBF-EB與PBF-LB相似
其（qí）唯一的共（gòng）同點是粉末（mò）被高能束熔化。但是，需要認識到，其物理原理不同，成形機製有很大區別，最終的結果和性能也不同。PBF-EB是一項獨立的技術，而不是簡單的類比於PBF-LB技術。

2.PBF-EB隻能打印有限的幾種材料，主要（yào）是鈦合金
PBF-EB目（mù）前主要被用來打印鈦合金，有其曆史和商業原因（yīn）。但是，沒有任何因素限製PBF-EB用於與PBF-LB一樣廣泛（fàn）的合金材料。如果有充分的開（kāi）發平台，PBF-EB同樣可以廣（guǎng）泛地使用（yòng）各種（zhǒng）合金材料。

3.PBF-EB成形（xíng）件的（de）表麵光潔度（dù）比PBF-LB零件要粗糙，並且不（bú）能打印細粉（fěn）
由於市售機器的（de）配（pèi）置，草莓视频污在线观看通常（cháng）看到（dào）PBF-EB的成形件表麵光潔（jié）度較粗糙。事實上，PBF-EB同（tóng）樣可以（yǐ）使（shǐ）用更細的粉末和更薄的層厚。研究人員（yuán）已經證實，通過更精準（zhǔn）的電子束（shù）控製，采用（yòng）更細的粉末和更薄的層厚，PBF-EB成形件的表麵光潔度（dù）可以顯著提高。

4.PBF-EB僅適用於昂貴的專業球形粉末
與PBF-LB一樣，由於現（xiàn）有鋪粉技術的限製，機器要求使用球性粉末。事實上，通過改進（jìn）不規則粉末的鋪（pù）粉方法，PBF-EB可以使用更便宜的不規（guī）則（zé）粉末。

5.成形後冷卻時間長，不夠經濟。
冷卻隻是整個成形過程的（de）一步。事實上，如果考慮整體的生產能力，在大多數情況下，與PBF-LB相比，PBF-EB製造速度更高，足以彌補所需的冷卻時間。

6.PBF-EB無法像PBF-LB一樣製（zhì）造大型零件
草莓视频污在线观看看（kàn）到，PBF-EB通常用來（lái）製造小尺寸零件。其實，擴大成形尺寸不存在技術障（zhàng）礙。尚未有大尺寸的PBF-EB設備麵世，實際上是因為PBF-EB有更好的方式來提（tí）高產能。

PBF-EB的優勢

1、通過有限的支撐結構進行堆（duī）垛
小型零件可以進行（háng）堆垛，無需添加PBF-LB中（zhōng）常見的密集的支撐結構。燒結的（de）“粉末蛋糕”發揮了部分支撐作用。

2、均勻的粉末熔化
電（diàn）子束比激光更深地穿透粉末材料，從（cóng）而使粉末熔化更均勻。電子束還能夠熔化（huà）高（gāo）反（fǎn）光（guāng）率材料，並且（qiě）不會導致（zhì）粉末顆粒的表麵過熱蒸發。

電子束（左（zuǒ））和激光（右）在Ti64粉末（mò）中進行能量轉移的對比

3、更寬的層厚範圍
PBF-EB具有很高的生產率，可適應較寬的層厚範圍。可以根據具體的應（yīng）用要求，靈活地調整效率和表麵光潔度的平（píng）衡。

4、真空環境
熔化過程是在最幹淨和最安全的高真空環境中進行的。另（lìng）外，真空可（kě）以隔熱（rè），有助於提高能源（yuán）效率。

5、量產的成本優勢
比起（qǐ）激光，電子束更容易、更低成本地增加功率。這使得PBF-EB在未來的超快增材製造中具（jù）有比PBF-LB更大的可擴展性，並可能在大批量應（yīng）用（yòng）中與傳統的製造技術競爭。

6、減少熱應力（lì）
PBF-EB是熱（rè）粉床工藝，可在整個成形過程中保持高（gāo）溫，從而生產沒有殘餘應力的零件。
這消除或減少了對（duì）熱處（chù）理的需求，大大節省（shěng）了熱處理時間（jiān）和（hé）成本，並有助於更大的設（shè）計（jì）自由度。得益於PBF-EB的卓越的溫度場（chǎng）控（kòng）製，脆性和易裂性合金可以成功地進行增材製造，從而將增材製造的應用範圍（wéi）擴展到了任何其他工藝（包括（kuò）PBF-LB）都無法製造的材料。

PBF-EB技術製造的Vibenite 290材料刀具（jù）。Vibenite 290是一種FeCoW材料，兼具高耐磨性（xìng）和耐熱性。硬度約為72 HRC（VBN Components AB）

清（qīng）粉和後處（chù）理

粉末管理和清除是所有粉末床熔合（hé）技術的關鍵環節（jiē），並且通常是（shì）成（chéng）形過程和後處理的痛苦之源。另外，還有支撐結構的去除。PBF-LB和PBF-EB都麵臨以上問題，值得進一步闡述。

如（rú）前所述，PBF-EB工藝允許使用有限數（shù）量的支撐結構來建造零件。零件成形結束並冷卻後，在清粉站中通過噴砂工藝去除並回（huí）收“燒結（jié）蛋糕”中的未熔化粉末。噴砂介質就是粉末材（cái）料本身。結塊的未熔化粉（fěn）末可以（yǐ）完全重複使用。通過合適的工藝設計，噴砂清粉過（guò）程不（bú）會對部（bù）件的完整（zhěng）性產生（shēng）不利影響，清粉效率也很高。但是，當結塊的材料位於內部流（liú）道的情況下，會麵臨一定困（kùn）難。

在PBF-LB工藝中清粉更容易。由於粉末沒有以任何方式（shì）粘結到零件的主體上，因此僅需要通過（guò）壓縮空氣就可以手動地去除粉末（mò）。也可以選擇具備（bèi）自動清粉功能（néng）的粉末清除站，將粉末從工具難以到達的地方倒出，得到帶著支撐的（de）、幹淨的（de）、無粉末沾附（fù）的（de）零件。

在熱等靜壓（HIP）後處理步驟中，PBF-EB更具（jù）優勢。如果（guǒ）要消除零件內部的孔隙，以使得增材製造部件滿足抗疲勞要（yào）求，HIP工藝通常是不可缺少的。PBF-EB工藝中形成的氣孔均（jun1）不含氣體（tǐ），可以在HIP步驟中不可逆地、永久性地封閉。在氣體（tǐ）流場中進（jìn）行成形的技術則相反：孔隙（xì）會（huì）不可避免地捕獲（huò）氣體，氣孔難以通過HIP收縮。更麻煩的（de）是，如果零件（jiàn）暴露在高溫下，氣孔（kǒng）可（kě）能會膨脹回原來的尺（chǐ）寸。

零件成本

歸根結底，用（yòng）戶希（xī）望能夠以較低（dī）的成本生產零件。那麽哪種技術提供了更好的（de）選擇呢？回答這個問題要謹慎，因為（wéi）這取決於所討（tǎo）論零（líng）件的幾何形狀。零（líng）件的大小和數量可以（yǐ）極大地影響經濟性。機（jī）器的成形（xíng）尺寸越大，一次可（kě）以製造的零件數量就（jiù）越多（duō）。

有充分的證（zhèng）據表明，由（yóu）PBF-EB生產的鈦合金零件比（bǐ）PBF-LB生產的要便宜。因（yīn）為PBF-EB目前被大量用於生產鈦合金零件（jiàn），因此可以進行充分的成本（běn）比較（jiào）。

在進（jìn）行比較時，草莓视频污在线观看測算總成本，包括前處理成本和後處理成本。Ampower進行了一項獨立研究，並將結果（guǒ）發布在GE Additive白皮書中。其結論是，PBF-EB工藝的製造成本“便宜50%”。

對PBF-EB的成本（běn）優勢進行分析，主要體現在以（yǐ）下方麵：
1、由於（yú）簡化了支（zhī）撐結構（gòu），PBF-EB更加容易實現3D堆垛。
2、粉末成本：PBF-EB的粉末價格更便宜（如鈦合（hé）金）。
3、熱處理成本更低（dī），甚至不需要進行熱處理。
4、與PBF-LB相比（bǐ），去（qù）除支撐更簡單。

基於對市場（chǎng）上金屬增材製造機器的廣泛了解和分析，Ampower還發布了一個在（zài）線成本計算工具，可以估（gū）算所有先進的金屬增材製造工藝的製造成本（běn）。利用該（gāi）工具測算各種尺寸和數量（liàng）的鈦合金零件的製造成本，結果都指向PBF-EB更經濟。

也就是（shì）說，對於各種鈦合金零件，PBF-EB總是（shì）比PBF-LB更便宜。即使節省的費用可（kě）能少於所聲稱的50％，但在（zài）製造業中哪怕節省10％的成本都很重要。未來，隨著電子束功率的提高、成形尺寸的增加、材料研究（jiū）的不斷進展，PBF-EB的成（chéng）本優勢隻會增加。

PBF-EB的未來在哪裏？

與其他增材製造工藝相比，PBF-EB目前的腳步更慢。但是，增材製造的廣泛工業化應用是一場馬（mǎ）拉鬆，遠未結束。首先，將不會有單一的製勝技術，因為增材製造技術的應用場景千（qiān）差萬別。近年來（lái），人們對電子束的興趣（qù）激增，並考（kǎo）慮電子束是否可以（yǐ）在某些應（yīng）用場合替代一直處於主導地位的（de）激光。草莓视频污在线观看可以預期PBF-EB會出現許多積極（jí）的進（jìn）展。

越來越多的參與者正（zhèng）在加入並幫助PBF-EB進入其下一階段的開發。業界對電子束的興趣日益增長，不僅考慮該技術帶來（lái）的（de）更好（hǎo）的冶金性能，最重（chóng）要（yào）的是，考慮是否能（néng）夠比基（jī）於激光（guāng）的工（gōng）藝更加經濟實惠（huì）。

PBF-EB技術在過去五年的進展，超過之前二十年的積累和發展（zhǎn）。一項技術的發展在許多情況下往往就是這樣，並不總是線性發展。

無論草莓视频污在线观看選擇以哪種方式看（kàn）待和描述（shù）PBF-EB的最新發展，毫無疑問（wèn），這是增材製（zhì）造領域的一個有趣時期。草莓视频污在线观看將懷（huái）著熱切（qiē）的期待繼（jì）續觀看馬（mǎ）拉鬆的下一階段，這個（gè）行業還有很長的路要走。

作者：Joseph Kowen，行業分析師和顧（gù）問，自1999年以來一直從事快速原型設計和增材製造，增材製（zhì）造谘詢公司Intelligent AM負責人。

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