快速原型製造技術是基於“離散/堆積”原理迅速發展起來的一種以CAD、數控技術、高能量束和新材料等多門技術為基礎的新興先進製造技術。 它的出現被認為是近年來製造技術領域內的一次重大突破， 其對製造業的影響可與數控技術的出現相媲美。 它可以自動、直接、快速、精確的將在電腦上“看得見， 摸不著”的設計思想產物轉變為“看得見， 摸得著”的具有一定功能的產品原型或直接製造零件。 同時它也是一種在“分層製造”思想的基礎上發展起來的製造技術， 並在汽車、電子、國防軍事、航空航太及醫學領域得到成功應用。
1.3D列印工藝
目前已經出現了幾十種工藝， 其中常見的加工方法有：立體印刷成型（SLA）， 層和實體製造（LOM）， 鐳射選域燒結（SLS）， 熔融沉積制模（FDM）， 三維噴塗粘結（3DPG）， 焊接成型（Welding Forming）等。 這幾種方式都各有自己的特點和優勢。 十幾年來， 這些技術在國內外都得到了一定的發展，
2 電子束快速成形技術的優點
目前金屬零件快速製造工藝多數採用鐳射在氣體保護下進行金屬粉末的燒結或熔化。 鐳射作為一種金屬材料的加工手段， 技術比較成熟、可控性好， 便於實現數控， 能夠較好的實現材料的“離散/堆積”， 成型鐳射燒結在小功率範圍內應用比較經濟， 但是當燒結或熔化諸如鎢、鈦及高溫合金特種性能金屬材料關鍵件時有強度不夠高的缺點。 而電子束加工作為另一種高能束加工手段， 它是採用高能電子束作為加工熱源， 成型可通過操縱磁偏轉線圈進行。 已在金屬零件快速成型領域中得到應用， 並顯示出了一系列獨特的優勢：
1）功率能量利用率高
電子束可以很容易的做到幾千瓦級的輸出， 而雷射器的一般輸出功率在1 kW~5 kW之間。 電子束加工的最大功率能達到鐳射的數倍， 其連續熱源功率密度比鐳射高很多， 可達1×107 W/mm2。 同時比起鐳射15%的能量利用率， 電子束的能量利用率要高很多， 可達到75%。
2）對焦方便
鐳射在理論上光斑直徑可達1 nm， 但在實際應用中一般達不到。 而電子束則可以通過調節聚束透鏡的電流來對焦， 束徑可以達到0.1 nm。 因而可以作到極細的聚焦。 加工出的產品細微性高， 純度高， 性能更優越。
3）可加工材料廣泛
大部分金屬對鐳射的反射率很高， 熔化潛熱也很高， 從而導致不易熔化。 而且一旦熔化形成熔池後， 反射率迅速降低， 使得熔池溫度急劇上升， 導致材料汽化。 而電子束可以不受加工材料反射的影響， 很容易加工用鐳射難於加工的材料， 而且具有的高真空工作環境可以避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。 這一點對鈦及鈦合金的加工尤為可貴。
4）成形速度高， 運行成本低
電子束設備可以進行二維掃描， 掃描頻率可達到20 kHz， 無機械慣性， 可以實現快速掃描。 且不像鐳射那樣消耗諸如N2、CO2、H2等氣體， 價格相比較較低廉。 只需消耗數量不大的燈絲。
由上可知， 電子束加工較鐳射加工有能量利用率高、可應用材料廣泛、真空環境無污染、成形速度快等優勢。 除此之外， 電子束在金屬焊接、電子束蒸發塗覆、電子束熔煉、電子束表面處理、電子束打孔、電子束制粉、電子束消毒滅菌、電子束顯微技術等領域近些年來也不斷得到發展， 其應用領域也在不斷的拓寬。 許多研究工作還在繼續深入， 電子束技術在工業中的應用存在巨大潛力。 總之電子束技術符合21世紀綠色製造的宗旨， 正受到更多的關注和研究， 可以預見電子束在金屬零件快速製造技術領域必將佔有主導地位。
3 電子束快速成形技術的設備
典型的電子束快速成形設備通常是由電子槍、工作室（亦稱真空室）、真空系統、電源及電氣控制系統5個子系統組成。電子槍是燒結設備中用以產生和控制電子光學系統的總稱。現多採用三級電子槍，其電極系統由陰極、偏壓電極和陽極組成。陰極處於高的負電位元，它與接地的陽極之間形成電子束的加速電場。偏壓電極則可以通過調節其相對於陰極負電位元的大小和改變偏壓電極形狀以及位置來調節電子束流的大小和改變電子束的形狀。其中陰極的形狀及其與偏壓電極的相對位置是影響電子束斑點位置的重要因素。
工作室多採用低碳鋼板製成以遮罩外部磁場對電子束軌跡的干擾。工作室表面通常鍍鎳或作其他處理，以減少表面吸附氣體，飛濺及油污等，縮短抽真空時間和便於工作室的清潔工作，形狀應根據用途和被加工零件來確定；真 空系統是對電子槍室和工作室抽真空用的，該系統多採用兩種類型的真空泵，一種是活塞式或葉片式機械泵，也被稱為低真空泵，它用於將電子槍室和工作室從大氣壓抽到壓強為10 Pa左右。它應與雙轉子真空泵（也稱羅茨泵），配合使用以提高速度，並使工作室壓強降到1 Pa以下，另一種是油擴散泵，用於將電子槍室和工作室壓強降到10-2 Pa以下，電源系統包括高壓電源、陰極加熱電源和偏壓電源。控制系統是指工作臺、夾具、轉檯等輔助設備。
國際上在電子束快速成形領域設備有瑞典、美國等國家，最為領先的是瑞典Arcam AB 公司研製並製造。 Arcam EBM S12設備技術參數為，成型空間：250 mm×250 mm×200 mm （長×寬×高，下同）；最大成形尺寸：200 mm×200 mm×160 mm；精度：±0.4 mm；熔化速率：0.3 m/s~0.5 m/s（依材料而定）；層厚：0.05 mm~0.2 mm（依材料而定）；電子束掃描速率：小於20 m/s；電子束定位精度：±0.05 mm；能量供應：3×400 V，32 A，7 kW；設備尺寸及重量：1800 mm×900 mm×2200 mm，1350 kg；電腦：PC，Windows2000，XP professional；CAD格式：STL；網路：乙太網10/100；認證：歐洲CE。 國內在此方面比較成功的研究機構是清華大學機械系快速成形中心自主研發的“電子束選區同步燒結工藝及三維分層製造設備”。
4 電子束快速成形技術的現狀
電子束燒結快速成形技術是在成形技術和大功率電子束蓬勃發展的基礎上開始出現並迅速發展起來的一項新的先進製造技術。該技術借鑒了快速原型技術“離散/堆積”的增材製造思想，它正逐漸成為一種新的生產方式。 電子束熔覆/燒結技術，在國內外均剛剛起步，是目前快速製造技術研究的熱點，也是電子束燒結技術發展的一個最新趨勢。它由產品三維CAD模型資料直接驅動高能量密度熱源—電子束，通過熔覆/燒結來組裝材料微滴單元而直接快速製造出任意形狀並具有特種性能的材料或零構件。
它將僅在零件表面和局部區域獲得的優越的熔凝組織通過多層熔覆擴展到整個三維實體零件。從而能夠實現具有高性能複雜結構緻密金屬零件的快速、無模具近淨成形或僅需極少量的後續加工的近形件。同時它還充分的體現了電子束技術與快速成形技術的特點：高能量的電子束加工範圍廣泛；束斑直徑極小的電子束加工時成型精確，減少了加工餘量和後處理工藝；電子束技術提供的真空環境下減少了電子散射，降低了金屬的氧化程度，還提供了一個良好的熱平衡系統，保證了成型的穩定性。快速成形技術具有的高度柔性加工環境則提高了設計的靈活性，通過改變CAD模型檔可使設計人員方便、經濟的對零件進行修改和補充，還可以靈活的改變零件不同部位的成分，使零件具有優異的綜合性能；而且不需要製作昂貴的模具。生產週期短、效率高。
此外，材料利用率高，多餘的粉末可回收而重複使用。這些特點表明電子束燒結快速製造技術具有廣闊的應用前景，它不僅可用於零件的直接製造，而且還可以用來修復大的金屬零件。該技術一經出現就成為發達國家和我國先進製造技術領域的研究熱點。電子束燒結快速製造原理如圖1所示。
圖1 電子束燒結快速製造示意圖（清華大學提供）
日本Osaka大學以及韓國Pohang大學等研究機構也使用電子束在基體金屬表面熔覆金屬粉末；英國伯明罕大學利用電子束對合金提純以及表面改性方面也作了大量的研究。證明了電子束燒結的可行性。 美國麻省理工學院提出了電子束實體自由製造技術EBSFF（Electron Beam Solid Freeform Fabrication），EBSFF類似於鐳射近淨成形製造技術，電子束固定不動，工作臺在電腦的控制下，根據幾何形體各層截面的座標資料進行移動的同時，加工原料（金屬絲）通過送絲機構被電子束熔化層層堆積而得最終產品。
美國NASA的Langley研究中心也開發出的類似於EBSFF的電子束自由快速製造技術（EB F3） 用於2219Al材零件的製造，它也是將金屬絲原料送入聚焦電子束熔池內，一層層熔融堆積薄層組織而得預期零構件。上述電子束熔覆/堆積製造技術的特點是在一個較短暫的時間內（如1 s）電子束只加熱整個成形區域中的一個局部，其原料隨電子束焦點或工作臺移動而依次完成熔化/燒結並沉積在成形區域內。
由於受到能量密度和材料燒結特性的限制，上述分層製造工藝為了通過一次性掃描完成材料的熔化/燒結沉積，電子束掃描速度或工作臺移動速度受到限制，只能逐點或分區加熱，材料粉末或金屬絲也只能逐點或分區被熔覆/燒結。因此加熱的均勻性較差，由於材料受熱不均勻，燒結過程容易產生熱應力。當加工完成後，若零件記憶體在較大殘餘應力必將對其精度和力學性能產生不良影響。特別是燒結過程中的熱應力，嚴重時會導致零件翹曲。此外，上述製備工藝是以材料粉末或絲作為原料，並附以相關送粉/絲裝置。以粉末為原料，真空系統在吸排氣產生的氣流及電子束的高速轟擊都可能吹起或濺射出細小粉末，粉末原料飛散有損害真空室內運動部件的可能；而且送粉/絲裝置的存在必然限制真空成形室的大小，一則直接影響設備的成本，二則不利於超大成形件的製備。
目前比較領先的是瑞典Arcam AB公司開發的電子束熔化技術EBM（Electron Beam Melting），EBM工作原理與選擇性鐳射燒結類似，都是先CAD建模，然後將模型按一定的厚度切片分層（即將產品的三維資訊離散成一系列二維輪廓資訊），但EBM在真空工作室內以電子束為能量源，電子束通過以二維截面資料資訊驅動，有選擇的對鋪粉平面上鋪展壓實的粉末類原料進行轟擊，粉末原料在電子束的轟擊下被熔化/燒結在一起，並與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部燒結完成。Arcam公司利用EBM技術製備出在抗張強度、屈服強度、彈性模量等性能均優於鍛造件的Ti6Al4及H13工具鋼，並針對該技術研製出Arcam EBM S-12快速製造設備，該設備可製備出的最大尺寸為200 mm×200 mm×180 mm，精度為±0.3 mm的快速成形件。EBM S-12快速製造設備及三維產品的製備方法在美國、中國等均申請了專利，並已得到授權。
國內，清華大學鐳射快速成形中心聯合國內主要的電子束設備提供單位進行了多方論證，開發出電子束選區同步燒結工藝及三維分層製造設備，並已在國內申請專利。他們發明的三維分層製造設備也是以粉末類材料為原料，但其電子束掃描控制裝置可控制電子束在制定區域內以圖形投影的方式快速掃描，均勻的加熱粉體。該設備中電子束每一次掃描選定區域的時間極短，以至掃描起始點的溫度還沒有發生較大變化時，整個成形區域就已經掃描完成，經過一幀或多幀掃描，成型區域內材料階梯式同步升溫，共同達到燒結或重熔所學的溫度，並一起沉積到成形區域上，然後同步的降溫。
由於整體成型區域內的材料同步升溫、燒結、沉積和降溫，因此產生的熱應力可大大減小，提高零件成形的精度和品質。該中心採用電子束燒結316L不銹鋼粉末的微觀組織結構（如圖2所示），其組織細密均勻，沒有發現未熔顆粒。採用電子束燒結快速製造技術製備SiCP/ A1複合材料可擺脫傳統工藝製造過程中陶瓷顆粒增強鋁基複合材料易氧化、增強顆粒分散不均勻及介面結合差等制約其應用的難題，並能製造出任意複雜形狀的結構件。 清華大學的這套電子束分層製造設備和工藝顯然進一步發展了國際上現有的電子束熔覆/燒結技術。
圖2 電子束燒結316L粉末的微觀組織
5 存在的主要問題
電子束燒結快速成形金屬零件技術是近幾年來剛提出來的新課題，雖然取得了一些發展，並有一些成績，但是該技術要獲得廣泛的應用，還須在幾個方面進行深入研究：
1）理論研究需要進一步深化，要建立製造過程的模型和三維數值類比；
2）需進一步提高粉末的輸送精度和流量，提高對熔池的控制；
3）工藝研究需進一步系統化，解決工藝參數和成形精度，成形缺陷的消除和抑制等問題；
4）需要進行大量的實驗以確定在不同情況下，如何使成形精度和成形速度達到最佳匹配，提高成 形效率；
5）開發適用於該技術的合金材料並發展電子束熔覆過程的即時觀測技術。
6 結 語
電子束燒結與快速製造技術相結合作為一種金屬零件快速成型技術，不僅可以充分利用電子束真空加工環境、高能量密度及掃描速度快等優點，而且可以發揮快速製造無需工模具，開發週期短及製造成本低等優勢。還有機的結合了電子束熔煉、粉末冶金及快速製造等諸多工藝的優點，必將在汽車、航空航太和醫療等領域得到快速發展和應用。具有非常廣闊的應用前景。但目前該技術尚處於發展初期，基礎問題的研究仍是當前研究的重點之一。
編輯：南極熊
作者：楊 鑫，湯慧萍，賀衛衛，劉海彥
可以預見電子束在金屬零件快速製造技術領域必將佔有主導地位。3 電子束快速成形技術的設備
典型的電子束快速成形設備通常是由電子槍、工作室（亦稱真空室）、真空系統、電源及電氣控制系統5個子系統組成。電子槍是燒結設備中用以產生和控制電子光學系統的總稱。現多採用三級電子槍，其電極系統由陰極、偏壓電極和陽極組成。陰極處於高的負電位元，它與接地的陽極之間形成電子束的加速電場。偏壓電極則可以通過調節其相對於陰極負電位元的大小和改變偏壓電極形狀以及位置來調節電子束流的大小和改變電子束的形狀。其中陰極的形狀及其與偏壓電極的相對位置是影響電子束斑點位置的重要因素。
工作室多採用低碳鋼板製成以遮罩外部磁場對電子束軌跡的干擾。工作室表面通常鍍鎳或作其他處理，以減少表面吸附氣體，飛濺及油污等，縮短抽真空時間和便於工作室的清潔工作，形狀應根據用途和被加工零件來確定；真 空系統是對電子槍室和工作室抽真空用的，該系統多採用兩種類型的真空泵，一種是活塞式或葉片式機械泵，也被稱為低真空泵，它用於將電子槍室和工作室從大氣壓抽到壓強為10 Pa左右。它應與雙轉子真空泵（也稱羅茨泵），配合使用以提高速度，並使工作室壓強降到1 Pa以下，另一種是油擴散泵，用於將電子槍室和工作室壓強降到10-2 Pa以下，電源系統包括高壓電源、陰極加熱電源和偏壓電源。控制系統是指工作臺、夾具、轉檯等輔助設備。
國際上在電子束快速成形領域設備有瑞典、美國等國家，最為領先的是瑞典Arcam AB 公司研製並製造。 Arcam EBM S12設備技術參數為，成型空間：250 mm×250 mm×200 mm （長×寬×高，下同）；最大成形尺寸：200 mm×200 mm×160 mm；精度：±0.4 mm；熔化速率：0.3 m/s~0.5 m/s（依材料而定）；層厚：0.05 mm~0.2 mm（依材料而定）；電子束掃描速率：小於20 m/s；電子束定位精度：±0.05 mm；能量供應：3×400 V，32 A，7 kW；設備尺寸及重量：1800 mm×900 mm×2200 mm，1350 kg；電腦：PC，Windows2000，XP professional；CAD格式：STL；網路：乙太網10/100；認證：歐洲CE。 國內在此方面比較成功的研究機構是清華大學機械系快速成形中心自主研發的“電子束選區同步燒結工藝及三維分層製造設備”。
4 電子束快速成形技術的現狀
電子束燒結快速成形技術是在成形技術和大功率電子束蓬勃發展的基礎上開始出現並迅速發展起來的一項新的先進製造技術。該技術借鑒了快速原型技術“離散/堆積”的增材製造思想，它正逐漸成為一種新的生產方式。 電子束熔覆/燒結技術，在國內外均剛剛起步，是目前快速製造技術研究的熱點，也是電子束燒結技術發展的一個最新趨勢。它由產品三維CAD模型資料直接驅動高能量密度熱源—電子束，通過熔覆/燒結來組裝材料微滴單元而直接快速製造出任意形狀並具有特種性能的材料或零構件。
它將僅在零件表面和局部區域獲得的優越的熔凝組織通過多層熔覆擴展到整個三維實體零件。從而能夠實現具有高性能複雜結構緻密金屬零件的快速、無模具近淨成形或僅需極少量的後續加工的近形件。同時它還充分的體現了電子束技術與快速成形技術的特點：高能量的電子束加工範圍廣泛；束斑直徑極小的電子束加工時成型精確，減少了加工餘量和後處理工藝；電子束技術提供的真空環境下減少了電子散射，降低了金屬的氧化程度，還提供了一個良好的熱平衡系統，保證了成型的穩定性。快速成形技術具有的高度柔性加工環境則提高了設計的靈活性，通過改變CAD模型檔可使設計人員方便、經濟的對零件進行修改和補充，還可以靈活的改變零件不同部位的成分，使零件具有優異的綜合性能；而且不需要製作昂貴的模具。生產週期短、效率高。
此外，材料利用率高，多餘的粉末可回收而重複使用。這些特點表明電子束燒結快速製造技術具有廣闊的應用前景，它不僅可用於零件的直接製造，而且還可以用來修復大的金屬零件。該技術一經出現就成為發達國家和我國先進製造技術領域的研究熱點。電子束燒結快速製造原理如圖1所示。
圖1 電子束燒結快速製造示意圖（清華大學提供）
日本Osaka大學以及韓國Pohang大學等研究機構也使用電子束在基體金屬表面熔覆金屬粉末；英國伯明罕大學利用電子束對合金提純以及表面改性方面也作了大量的研究。證明了電子束燒結的可行性。 美國麻省理工學院提出了電子束實體自由製造技術EBSFF（Electron Beam Solid Freeform Fabrication），EBSFF類似於鐳射近淨成形製造技術，電子束固定不動，工作臺在電腦的控制下，根據幾何形體各層截面的座標資料進行移動的同時，加工原料（金屬絲）通過送絲機構被電子束熔化層層堆積而得最終產品。
美國NASA的Langley研究中心也開發出的類似於EBSFF的電子束自由快速製造技術（EB F3） 用於2219Al材零件的製造，它也是將金屬絲原料送入聚焦電子束熔池內，一層層熔融堆積薄層組織而得預期零構件。上述電子束熔覆/堆積製造技術的特點是在一個較短暫的時間內（如1 s）電子束只加熱整個成形區域中的一個局部，其原料隨電子束焦點或工作臺移動而依次完成熔化/燒結並沉積在成形區域內。
由於受到能量密度和材料燒結特性的限制，上述分層製造工藝為了通過一次性掃描完成材料的熔化/燒結沉積，電子束掃描速度或工作臺移動速度受到限制，只能逐點或分區加熱，材料粉末或金屬絲也只能逐點或分區被熔覆/燒結。因此加熱的均勻性較差，由於材料受熱不均勻，燒結過程容易產生熱應力。當加工完成後，若零件記憶體在較大殘餘應力必將對其精度和力學性能產生不良影響。特別是燒結過程中的熱應力，嚴重時會導致零件翹曲。此外，上述製備工藝是以材料粉末或絲作為原料，並附以相關送粉/絲裝置。以粉末為原料，真空系統在吸排氣產生的氣流及電子束的高速轟擊都可能吹起或濺射出細小粉末，粉末原料飛散有損害真空室內運動部件的可能；而且送粉/絲裝置的存在必然限制真空成形室的大小，一則直接影響設備的成本，二則不利於超大成形件的製備。
目前比較領先的是瑞典Arcam AB公司開發的電子束熔化技術EBM（Electron Beam Melting），EBM工作原理與選擇性鐳射燒結類似，都是先CAD建模，然後將模型按一定的厚度切片分層（即將產品的三維資訊離散成一系列二維輪廓資訊），但EBM在真空工作室內以電子束為能量源，電子束通過以二維截面資料資訊驅動，有選擇的對鋪粉平面上鋪展壓實的粉末類原料進行轟擊，粉末原料在電子束的轟擊下被熔化/燒結在一起，並與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部燒結完成。Arcam公司利用EBM技術製備出在抗張強度、屈服強度、彈性模量等性能均優於鍛造件的Ti6Al4及H13工具鋼，並針對該技術研製出Arcam EBM S-12快速製造設備，該設備可製備出的最大尺寸為200 mm×200 mm×180 mm，精度為±0.3 mm的快速成形件。EBM S-12快速製造設備及三維產品的製備方法在美國、中國等均申請了專利，並已得到授權。
國內，清華大學鐳射快速成形中心聯合國內主要的電子束設備提供單位進行了多方論證，開發出電子束選區同步燒結工藝及三維分層製造設備，並已在國內申請專利。他們發明的三維分層製造設備也是以粉末類材料為原料，但其電子束掃描控制裝置可控制電子束在制定區域內以圖形投影的方式快速掃描，均勻的加熱粉體。該設備中電子束每一次掃描選定區域的時間極短，以至掃描起始點的溫度還沒有發生較大變化時，整個成形區域就已經掃描完成，經過一幀或多幀掃描，成型區域內材料階梯式同步升溫，共同達到燒結或重熔所學的溫度，並一起沉積到成形區域上，然後同步的降溫。
由於整體成型區域內的材料同步升溫、燒結、沉積和降溫，因此產生的熱應力可大大減小，提高零件成形的精度和品質。該中心採用電子束燒結316L不銹鋼粉末的微觀組織結構（如圖2所示），其組織細密均勻，沒有發現未熔顆粒。採用電子束燒結快速製造技術製備SiCP/ A1複合材料可擺脫傳統工藝製造過程中陶瓷顆粒增強鋁基複合材料易氧化、增強顆粒分散不均勻及介面結合差等制約其應用的難題，並能製造出任意複雜形狀的結構件。 清華大學的這套電子束分層製造設備和工藝顯然進一步發展了國際上現有的電子束熔覆/燒結技術。
圖2 電子束燒結316L粉末的微觀組織
5 存在的主要問題
電子束燒結快速成形金屬零件技術是近幾年來剛提出來的新課題，雖然取得了一些發展，並有一些成績，但是該技術要獲得廣泛的應用，還須在幾個方面進行深入研究：
1）理論研究需要進一步深化，要建立製造過程的模型和三維數值類比；
2）需進一步提高粉末的輸送精度和流量，提高對熔池的控制；
3）工藝研究需進一步系統化，解決工藝參數和成形精度，成形缺陷的消除和抑制等問題；
4）需要進行大量的實驗以確定在不同情況下，如何使成形精度和成形速度達到最佳匹配，提高成 形效率；
5）開發適用於該技術的合金材料並發展電子束熔覆過程的即時觀測技術。
6 結 語
電子束燒結與快速製造技術相結合作為一種金屬零件快速成型技術，不僅可以充分利用電子束真空加工環境、高能量密度及掃描速度快等優點，而且可以發揮快速製造無需工模具，開發週期短及製造成本低等優勢。還有機的結合了電子束熔煉、粉末冶金及快速製造等諸多工藝的優點，必將在汽車、航空航太和醫療等領域得到快速發展和應用。具有非常廣闊的應用前景。但目前該技術尚處於發展初期，基礎問題的研究仍是當前研究的重點之一。
編輯：南極熊
作者：楊 鑫，湯慧萍，賀衛衛，劉海彥