近年來，金屬增材制造經(jīng)歷了快速發(fā)展，使得人們能夠想象復(fù)雜的形狀，同時(shí)注重提高性能和質(zhì)量。有許多工藝可以提供這些可能性：激光熔合、集中能量下的材料沉積、粉末粘合等。當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的工藝之一仍然是粉末床熔合。有兩種技術(shù)主要因所用熱源不同而有所差異：激光聚變（L-PBF）和電子束聚變（EBM）。其原理保持不變：將散布在印刷板上的金屬顆粒逐層融合，以創(chuàng)建所需的3D模型。但使用激光或電子束來執(zhí)行此操作顯然是不同的。那么，我們應(yīng)該采用什么樣的流程？這兩種技術(shù)各有什么特點(diǎn)？它們有何相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？

L-PBF和EBM技術(shù)

顧名思義，這兩種技術(shù)都是依靠熱源來熔合一層金屬粉末。該過程在封閉的機(jī)器中進(jìn)行，并生產(chǎn)出堅(jiān)固且致密的零件。因此，所使用的熱源是不同的。對于激光聚變過程，首先需要澄清賦予該過程的術(shù)語和不同的縮寫詞。我們經(jīng)常聽到SLM或DMLS，甚至L-PBF。原理保持不變：術(shù)語SLM（選擇性激光熔化）來自弗勞恩霍夫研究所，而DMLS（直接金屬激光燒結(jié)-實(shí)際上是熔化而不是燒結(jié)）來自制造商EOS。這里將使用更通用的術(shù)語L-PBF。

L-PBF工藝。（圖片來源：Schmitz Metallographie GmbH）

3D打印機(jī)使用一個(gè)或多個(gè)激光器——今天你可以找到具有12個(gè)激光器的機(jī)器。后者是DMLS機(jī)器上的光纖激光器。它首先在房間內(nèi)營造一種惰性氣氛，然后將其加熱到所需的最佳溫度。第一層金屬粉末沉積在板上。然后，激光將粉末顆粒融合成所需的形狀。后者的強(qiáng)度根據(jù)所使用的金屬確定：這里的目標(biāo)是達(dá)到材料的熔點(diǎn)，以便當(dāng)激光經(jīng)過時(shí)它可以完全熔化，并在冷卻后立即凝固。該過程逐層重復(fù)。

如果我們現(xiàn)在看一下電子束聚變，您應(yīng)該知道使用真空室來避免金屬粉末氧化是絕對必要的。一旦創(chuàng)建了這種環(huán)境，就將必須導(dǎo)電的材料放置在板上，然后電子槍發(fā)射光束。在磁場的引導(dǎo)下，產(chǎn)生的電子能夠?qū)⒎勰╊w粒融合在一起，并逐層形成所需的部件。請注意，這些電子的溫度可高達(dá)2,000°C，速度也極快。

技術(shù)特點(diǎn)

選擇激光熔化還是電子束熔化取決于用戶的需求：是否需要較高的零件質(zhì)量？應(yīng)該生產(chǎn)多少量？這個(gè)項(xiàng)目緊急嗎？正如您所了解的，許多標(biāo)準(zhǔn)會(huì)影響最終決定；我們建議您查看技術(shù)特性方面存在的主要差異，以幫助您盡可能清楚地做出選擇。

打印質(zhì)量

印刷質(zhì)量是一個(gè)決定性因素，尤其是在談?wù)摮善窌r(shí)。無論是在L-PBF還是EBM中，我們通常都能獲得精確、致密和堅(jiān)固的零件。然而，表面處理并不是很精致，而且部件比較粗糙。金屬增材制造通常需要后處理步驟才能獲得更光滑、更完美的表面。

值得注意的是，使用激光可以獲得更好的精度。事實(shí)上，粉末顆粒融合得更細(xì)，這使得設(shè)計(jì)出表面光潔度比EBM工藝更均勻的零件成為可能。此外，L-PBF中使用的粉末顆粒更細(xì)，層厚度也更大。與EBM相比，這有助于實(shí)現(xiàn)更好的打印質(zhì)量。

采用EBM工藝的3D打印部件（圖片來源：Colibrium Additive）

打印速度

一般來說，電子束聚變比激光聚變速度更快。由于光束在整個(gè)打印床上發(fā)射能量，因此發(fā)射的電子數(shù)量眾多，能夠同時(shí)融合粒子。另一方面，激光必須逐點(diǎn)進(jìn)行融合，這需要更長的時(shí)間。L-PBF機(jī)器使用檢流計(jì)（即一組移動(dòng)鏡）引導(dǎo)激光沿著打印床前進(jìn)。當(dāng)然，打印速度取決于L-PB F機(jī)器的激光器數(shù)量及其功率——你可以想象，單激光器3D打印機(jī)的效率會(huì)低于具有12個(gè)激光器的機(jī)器。在估算構(gòu)建時(shí)間時(shí)，必須考慮3D打印機(jī)的預(yù)熱和冷卻。

打印量

粉末床熔合技術(shù)并不特別適合大批量生產(chǎn)，而集中能量沉積(CED)技術(shù)更適合大批量生產(chǎn)。事實(shí)上，機(jī)器越大，材料預(yù)熱的時(shí)間就越長，需要的能量就越多，這不一定是一個(gè)優(yōu)勢。不過，可以說L-PBF提供的容量更大。首先，市場上有更多的激光熔接機(jī)，這使得在構(gòu)建板尺寸方面有更廣泛的選擇。例如，最大的解決方案之一提供的容量為9噸，而最常見的則約為250 x 250 x 300毫米。

在EBM方面，選擇非常有限，因?yàn)槭袌錾系?D打印機(jī)很少。建議的體積沒有達(dá)到L-PBF的體積——我們大約是200x200x200毫米，有可能達(dá)到300 x 300 x 450毫米。

材料

值得注意的是，電子束聚變僅與導(dǎo)電金屬兼容。該過程的基本原理是基于電荷，并且必須與允許電荷通過的材料一起工作。這將使得打印鈷鉻、銅、鈦、不銹鋼甚至鎳合金零件成為可能。請注意，可以重復(fù)使用未被光束熔化的粉末，這可以顯著節(jié)省資源。

對于激光熔化來說，兼容材料的范圍更廣。最常用的金屬是鋁、鈦、鋼和各種合金，或鈷鉻和銅。在這兩種情況下，都必須小心處理粉末，并采取必要的防護(hù)措施（口罩、手套、護(hù)目鏡）。粉末顆粒越細(xì)，越需要采取預(yù)防措施。因此，L-PBF的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更大。

激光熔合制造的葉片（圖片來源：Fraunhofer IPT）

后期處理

打印完成后，兩個(gè)過程都需要零件清潔步驟。其實(shí)就是要把那些沒有融合在一起的多余粉末去除。去除粉末所需的時(shí)間長短取決于零件的形狀。最常用的是特定設(shè)備，例如噴砂站。

接下來是移除打印介質(zhì)的步驟。電子束聚變通常需要較少。使用真空室和控制每層的預(yù)熱可以限制變形并增強(qiáng)零件強(qiáng)度，從而限制打印過程中對加固的需求。對于L-PBF，需要支撐以避免與高溫相關(guān)的變形，同時(shí)也促進(jìn)散熱并在材料冷卻時(shí)減少應(yīng)力。根據(jù)房間的幾何形狀，它們的數(shù)量會(huì)或多或少。它們可以通過機(jī)械加工、切割或線切割去除。

如前所述，這兩種金屬增材制造工藝并不以其美觀品質(zhì)而聞名。如果想要獲得光滑的表面，則需要經(jīng)過后處理步驟，特別是拋光。對于EBM工藝來說尤其如此，因?yàn)楸砻鏍顩r特別差。

最后，關(guān)于熱處理，也就是說，允許改善零件機(jī)械性能的不同方法，對于EBM來說很少是必要的。如果您選擇激光熔化，可能值得使用熱等靜壓等技術(shù)來去除任何內(nèi)部空隙和殘留孔隙。

清潔L-PBF部件（圖片來源：Protolabs）

EBM和L-PBF工藝的主要應(yīng)用

這兩種技術(shù)都用于高性能行業(yè)，但它們的應(yīng)用因其獨(dú)特的處理特性而有所不同。電子束熔化技術(shù)的特點(diǎn)是能夠加工難以加工的材料并制造具有高機(jī)械強(qiáng)度的零件。從歷史上看，電子束聚變吸引了兩個(gè)領(lǐng)域：航空航天和醫(yī)學(xué)。在航空航天領(lǐng)域，它最常用于生產(chǎn)渦輪葉片。例如，Colibrium Additive為GE Aerospace的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)真空打印了數(shù)千個(gè)鈦渦輪葉片。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，EBM 3D打印已廣泛應(yīng)用于骨科植入物的生產(chǎn)，例如用于髖關(guān)節(jié)置換的髖臼杯。該工藝提供的多孔設(shè)計(jì)有利于骨骼在杯內(nèi)生長，從而更容易固定植入物。

L-PBF技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療和牙科應(yīng)用以及渦輪機(jī)械。在汽車行業(yè)，該工藝用于各種汽車零部件，從發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱部件到內(nèi)飾元件。在渦輪機(jī)械領(lǐng)域，該技術(shù)對于葉片、葉輪和燃油噴射器的生產(chǎn)至關(guān)重要，其創(chuàng)建內(nèi)部通道和冷卻結(jié)構(gòu)的能力可提高零件的效率和使用壽命。在醫(yī)療和牙科領(lǐng)域，激光粉末床熔合主要用于制造手術(shù)器械和牙科植入物。

髖關(guān)節(jié)假體的髖臼杯（圖片來源：AddUp）

最后值得一提的是，這兩項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用受到鈦和不銹鋼等材料使用可能性的強(qiáng)烈影響。鈦是一種生物相容性材料，具有良好的機(jī)械性能，適合用于植入物等。至于不銹鋼，其特性使其非常適合生產(chǎn)工具和醫(yī)療設(shè)備。因此，這兩種金屬都可以從該工藝及其密封室中受益，從而生產(chǎn)出沒有污染風(fēng)險(xiǎn)的零件。

領(lǐng)先的EBM和L-PBF 3D打印機(jī)制造商

電子束聚變(EBM)市場多年來一直由最先開發(fā)并商業(yè)化該技術(shù)的瑞典公司Arcam主導(dǎo)。近年來，隨著新公司搶占市場份額，該行業(yè)分支不斷發(fā)展壯大。如今，通用電氣航空航天集團(tuán)旗下的Colibrium Additive是自2016年收購Arcam以來最具影響力的參與者。該公司在通用電氣內(nèi)部引領(lǐng)了航空航天和醫(yī)療部件的批量生產(chǎn)。自收購Arcam和Concept Laser等其他金屬增材制造公司以來，Colibrium Additive通過自動(dòng)光束校準(zhǔn)和更精確的熱控制等創(chuàng)新優(yōu)化了技術(shù)。

EBM 3D打印機(jī)（圖片來源：Colibrium Additive）

另一方面，自從EBM技術(shù)市場發(fā)生這種演變以來，新的制造商已經(jīng)出現(xiàn)，例如Wayland Additive，它利用其NeuBeam工藝尋求提高電子束聚變的穩(wěn)定性和靈活性。Freemelt由前Arcam工程師于2017年創(chuàng)立，也提供電子束打印機(jī)，其中一些甚至是開源的。該市場的其他新進(jìn)入者包括亞洲制造商QBeam、西安賽龍金屬和JOEL。他們在其他電子束技術(shù)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并將其應(yīng)用于增材制造。然而值得注意的是，他們的打印機(jī)的營銷仍然集中在其原產(chǎn)國。

在L-PBF技術(shù)領(lǐng)域，德國EOS公司是主要參與者，其在基于L-PBF技術(shù)及其材料的金屬打印機(jī)生產(chǎn)方面擁有三十多年的經(jīng)驗(yàn)。如今，大量公司使用L-PBF工藝：尼康SLM Solutions、雷尼紹、Farsoon Technologies、Additive Industries、3D Systems和AddUp只是其中的幾個(gè)例子。隨著時(shí)間的推移，這些公司通過推出滿足特定行業(yè)需求的打印機(jī)來改進(jìn)其產(chǎn)品。例如，F(xiàn)arsoon和Additive Industries的打印機(jī)因其多激光和大幅面功能而脫穎而出。Renishaw和3D Systems打印機(jī)經(jīng)常用于研究。最后，制造商尼康和AddUpp為一般工業(yè)和大規(guī)模生產(chǎn)提供解決方案。值得注意的是，上述制造商的產(chǎn)品不僅限于這些應(yīng)用，但這些是其中一些最重要的應(yīng)用。

FS811M大幅面3D打印機(jī)（圖片來源：華曙高科）

價(jià)格

使用EBM和L-PBF工藝的3D打印機(jī)需要大量投資，其價(jià)格根據(jù)型號、構(gòu)建體積、所需惰性介質(zhì)以及每臺(tái)設(shè)備的具體功能而有所不同。不過EBM打印機(jī)的價(jià)格比L-PBF打印機(jī)高很多。這是因?yàn)榕cL-PBF解決方案的供應(yīng)相比，EBM機(jī)器的供應(yīng)有限。就電子束聚變而言，成本估計(jì)在50萬至100萬美元之間。這筆高昂的成本不僅包括打印機(jī)本身，還包括操作機(jī)器所需的基礎(chǔ)設(shè)施，包括后處理設(shè)備和專用材料。此外，EBM流程需要高技能的專業(yè)人員來操作，這對成本和人才可用性有重大影響。

另一方面，使用L-PBF技術(shù)的打印機(jī)根據(jù)其打印量提供更廣泛的價(jià)格范圍。3D Systems的ProX 100等型號，其構(gòu)建體積為100 x 100 x 180毫米，估價(jià)為250,000美元。更高級的選項(xiàng)，例如EOS M400，打印尺寸為400 x 400 x 400毫米，售價(jià)達(dá)到750,000美元。除了機(jī)器成本外，還必須考慮后處理設(shè)備的投資和金屬粉末的購買?？傊?，要了解打印機(jī)的確切成本，有必要聯(lián)系制造商或經(jīng)銷商以獲取報(bào)價(jià)。

編譯整理：3dnatives