电子束选区熔化快速制造设备

lixiao8037

1. 电子束选区熔化快速制造的定义及特点
电子束选区熔化快速制造技术（Electron BeamSelective Melting， EBSM）， 又称电子束熔化制造技术（Electron beam melting， EBM）， 是一种以高能电子束作为使能技术的基于离散-堆积原理的金属零件制造技术。先在铺粉平面上铺展一层粉末， 然后， 电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的烧结， 金属粉末在电子束的轰击下被烧结在一起， 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， 最后， 除去多余的粉末便得到所需的三维产品。
电子束与激光同属高能量密度热源， 其能量密度在同一段数量级， 远高于其他热源。与一般加工方法相比， 它们的共同特点是： 加工无机械变形， 加工速度快， 热影响区小， 束斑直径小， 加工精度高， 加工参数能精确控制等。但电子束与激光的工作原理不同， 电子束的加热方式是高能电子穿过靶材的表面进入到距表面一定深度后再传给靶材原子能量， 从而使靶材原子的振动加剧， 把电子的动能转换为热能； 激光则为靶材表面吸收光子能量， 激光并未穿过靶材表面。正是由于电子束和激光的这一区别， 使得各自的加工过程有所不同： 激光加工时表面温度最高， 电子束加工时则在距表面一定深度处温度最高。此外， 电子束与激光相比还存在以下一些优点：
（1） 能量利用率高 电子枪的能量转换效率一般为75%以上， 比激光的要高许多。
（2） 功率高 电子束可以容易地做到千瓦级的功率输出， 甚至可达200 ～300kW； 而大多数激光器功率在1 ～5kW 之间， 最大的CO2 激光器功率为45kW。
（3） 可加工材料广泛 电子束不受加工材料反射的影响， 对于各类金属都有很好的、稳定的吸收率。因而可应用于范围广泛的材料加工， 并有利于梯度材料的成形加工。而在激光加工中， 某些材料（如： 金、银、铜、铝等） 对激光的反射率高， 吸收率低， 并且熔化潜热很高， 不易熔化， 需要足够高的能量密度才能产生熔池。而且熔池一旦形成， 对激光能量的吸收率迅速升高， 从而使熔池温度急剧升高，导致材料汽化。
（4） 电热转换率高 电子束是依靠电子束流轰击材料， 将能量直接传递给材料表层的电子， 并以热能的形式传递给表层的点阵原子。因此电热转换效率在90%以上， 且不受材料表面性质的影响。
（5） 加工速度快 利用电子束自身的偏转功能实现金属粉末的扫描成形， 不需运动部件， 无机械惯性， 扫描频率可达20kHz。相对于激光依靠反射镜或数控工作台运动来实现平面扫描， 速度要快许多倍，因而可以做到3 ～ 10 帧/ s 的投影式扫描（即在扫描第一点的温度还没有降低时， 已完成了整个区域的扫描）， 能极大地改变选区烧结/ 重熔的工艺条件。
（6） 运行成本低 根据国外统计， 电子束运行成本仅是激光器运行成本的一半或更低。激光器在使用过程中需要消耗保护气体， 如He， N2， CO2 等，尤其是He 的价格较高； 电子束一般不消耗气体， 仅消耗价格不算很高的阴极灯丝， 而且消耗量不大。
（7） 设备可维护性好 电子束加工设备零部件少的特点使得其维护非常方便， 通常只需更换灯丝；激光器拥有的光学系统则需经常进行人工调整和擦拭， 以便其最大功率的发挥。
然而电子束应用也有其不方便的地方， 限制它的广泛应用。主要表现在电子束加工必须在真空环境中进行， 从而使得工件尺寸受到一定限制， 而且真空系统在一定程度上增加了电子束加工设备的复杂性和实现难度。
但从另一方面考虑， 真空环境对于材料加工也有有利的方面。在真空环境下材料不会发生氧化反应，这对于避免组织缺陷， 保证材料性能， 提高成形质量大有好处。而激光虽然可在非真空的条件下使用， 但也常需要He、N2 等辅助气体保护， 且这些气体一般不可重复使用。在某些要求较高的场合， 激光加工也要求置于真空环境中进行。
与激光相比， 电子束在快速制造领域的应用具有宽阔应用前景， 除了可以制造小批量多品种的金属零件及注射模、压铸模等模具外， 还有医学人工假体、航空航天及赛车零部件、野战零件“医院” 等领域的应用。

2. 电子束选区熔化快速制造系统的组成
电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting）快速制造系统是一种在电子束加工系统和快速制造系统的基础上集成的系统。

EBSM 的机械系统是工艺过程的执行机构， 包括电子枪子系统、真空子系统和成形子系统。电子枪子系统主要由高压电源、电子枪、灯丝及聚焦线圈组成。真空子系统包括真空成形室和两套分别给电子枪和真空成形室提供真空的设备机组。成形子系统主要由电子束偏转子系统、Z 轴升降子系统和材料输送子系统组成。电子束偏转子系统是电子枪子系统和成形子系统相互连接的纽带， 是整个系统的核心部件。Z轴升降系统是分层制造必备的成形机构。材料输送子系统包括粉末材料在真空室中的存储、供粉、输送和回收， 为成形过程提供材料。
控制系统的作用之一是为成形过程提供真空环境和高能电子， 作用之二是对成形子系统进行控制， 驱动工作平台的升降、供粉、铺压粉等规定的动作及实现电子束在二维平面的扫描运动， 控制系统包括电子束控制子系统、真空控制子系统和EBSM 工艺控制子系统， 每个子系统又包括若干功能单元。电子束控制子系统主要对灯丝电流、阴极高压、栅极偏压和聚焦电流进行控制。
真空控制子系统主要是维护工艺所要求的真空环境。材料输送子系统自动完成供粉和铺压粉工作。

3. 瑞典Arcam AB 公司
瑞典Gothenburg 的Arcam AB 公司研制的EBMS—12 及EBM S—12—T 设备在2002 年开始对外销售。2006 年， 该公司与美国Stratasys 公司达成北美地区的代理协议， 并已在北美地区批量销售。

4. 清华大学EBSM 150—I 制造系统
EBSM 150—I 是由清华大学快速成形中心开发的电子束选区重熔快速制造实验系统