1.3D打印工艺
目前已经涌现了几十种工艺，个中常见的加工方法有：立体印刷成型（SLA），层和实系统编制造（LOM），激光选域烧结（SLS），熔融沉积制模（FDM），三维喷涂粘结（3DPG），焊接成型（Welding Forming）等。这几种办法都各有自己的特点和上风。十几年来，这些技能在国内外都得到了一定的发展，而且将成为21世纪制造业的主要组成部分。
2 电子束快速成形技能的优点
目前金属零件快速制造工艺多数采取激光在气体保护下进行金属粉末的烧结或熔化。激光作为一种金属材料的加工手段，技能比较成熟、可控性好，便于实现数控，能够较好的实现材料的“离散/堆积”，成型激光烧结在小功率范围内运用比较经济，但是当烧结或熔化诸如钨、钛及高温合金特种性能金属材料关键件时有强度不足高的缺陷。而电子束加事情为另一种高能束加工手段，它是采取高能电子束作为加工热源，成型可通过操纵磁偏转线圈进行。已在金属零件快速成型领域中得到运用，并显示出了一系列独特的上风：
1）功率能量利用率高
电子束可以很随意马虎的做到几千瓦级的输出，而激光器的一样平常输出功率在1 kW~5 kW之间。电子束加工的最大功率能达到激光的数倍，其连续热源功率密度比激光高很多，可达1×107 W/mm2。同时比起激光15%的能量利用率，电子束的能量利用率要高很多，可达到75%。
2）对焦方便
激光在理论上光斑直径可达1 nm，但在实际运用中一样平常达不到。而电子束则可以通过调节聚束透镜的电流来对焦，束径可以达到0.1 nm。因而可以作到极细的聚焦。加工出的产品粒度高，纯度高，性能更优胜。
3）可加人为料广泛
大部分金属对激光的反射率很高，熔化潜热也很高，从而导致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降落，使得熔池温度急剧上升，导致材料汽化。而电子束可以不受加人为料反射的影响，很随意马虎加工用激光难于加工的材料，而且具有的高真空事情环境可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。这一点对钛及钛合金的加工尤为名贵。
4）成形速率高，运行本钱低
电子整装备可以进行二维扫描，扫描频率可达到20 kHz，无机器惯性，可以实现快速扫描。且不像激光那样花费诸如N2、CO2、H2等气体，价格比较较较低廉。只需花费数量不大的灯丝。
由上可知，电子束加工较激光加工有能量利用率高、可运用材料广泛、真空环境无污染、成形速率快等上风。 除此之外，电子束在金属焊接、电子束蒸发涂覆、电子束熔炼、电子束表面处理、电子束打孔、电子束制粉、电子束消毒灭菌、电子束显微技能等领域近些年来也不断得到发展，其运用领域也在不断的拓宽。许多研究事情还在连续深入，电子束技能在工业中的运用存在巨大潜力。总之电子束技能符合21世纪绿色制造的宗旨，正受到更多的关注和研究，可以预见电子束在金属零件快速制造技能领域必将霸占主导地位。
3 电子束快速成形技能的设备
范例的电子束快速成形设备常日是由电子枪、事情室（亦称真空室）、真空系统、电源及电气掌握系统5个子系统组成。电子枪是烧结设备中用以产生和掌握电子光学系统的总称。现多采取三级电子枪，其电极系统由阴极、偏压电极和阳极组成。阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。偏压电极则可以通过调节其相对付阴极负电位的大小和改变偏压电极形状以及位置来调节电子束流的大小和改变电子束的形状。个中阴极的形状及其与偏压电极的相对位置是影响电子束斑点位置的主要成分。
事情室多采取低碳钢板制成以屏蔽外部磁场对电子束轨迹的滋扰。事情室表面常日镀镍或作其他处理，以减少表面吸附气体，飞溅及油污等，缩短抽真空韶光和便于事情室的清洁事情，形状应根据用场和被加工零件来确定；真 空系统是对电子枪室和事情室抽真空用的，该系统多采取两种类型的真空泵，一种是活塞式或叶片式机器泵，也被称为低真空泵，它用于将电子枪室和事情室从大气压抽到压强为10 Pa旁边。它应与双转子真空泵（也称罗茨泵），合营利用以提高速率，并使事情室压强降到1 Pa以下，另一种是油扩散泵，用于将电子枪室和事情室压强降到10-2 Pa以下，电源系统包括高压电源、阴极加热电源和偏压电源。掌握系统是指事情台、夹具、转台等赞助设备。
国际上在电子束快速成形领域设备有瑞典、美国等国家，最为领先的是瑞典Arcam AB 公司研制并制造。 Arcam EBM S12设备技能参数为，成型空间：250 mm×250 mm×200 mm （长×宽×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）；层厚：0.05 mm~0.2 mm（依材料而定）；电子束扫描速率：小于20 m/s；电子束定位精度：±0.05 mm；能量供应：3×400 V，32 A，7 kW；设备尺寸及重量：1800 mm×900 mm×2200 mm，1350 kg；打算机：PC，Windows2000，XP professional；CAD格式：STL；网络：以太网10/100；认证：欧洲CE。 海内涵此方面比较成功的研究机构是清华大学机器系快速成形中央自主研发的“电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备”。
4 电子束快速成形技能的现状
电子束烧结快速成形技能是在成形技能和大功率电子束发达发展的根本上开始涌现并迅速发展起来的一项新的前辈制造技能。该技能借鉴了快速原型技能“离散/堆积”的增材制造思想，它正逐渐成为一种新的生产办法。 电子束熔覆/烧结技能，在国内外均刚刚起步，是目前快速制造技能研究的热点，也是电子束烧结技能发展的一个最新趋势。它由产品三维CAD模型数据直接驱动高能量密度热源—电子束，通过熔覆/烧结来组装材料微滴单元而直接快速制造出任意形状并具有特种性能的材料或零构件。
它将仅在零件表面和局部区域得到的优胜的熔凝组织通过多层熔覆扩展到全体三维实体零件。从而能够实现具有高性能繁芜构造致密金属零件的快速、无模具近净成形或仅需极少量的后续加工的近形件。同时它还充分的表示了电子束技能与快速成形技能的特点：高能量的电子束加工范围广泛；束斑直径极小的电子束加工时成型精确，减少了加工余量和后处理工艺；电子束技能供应的真空环境下减少了电子散射，降落了金属的氧化程度，还供应了一个良好的热平衡系统，担保了成型的稳定性。快速成形技能具有的高度柔性加工环境则提高了设计的灵巧性，通过改变CAD模型文件可使设计职员方便、经济的对零件进行修正和补充，还可以灵巧的改变零件不同部位的身分，使零件具有精良的综合性能；而且不须要制作昂贵的模具。生产周期短、效率高。
此外，材料利用率高，多余的粉末可回收而重复利用。这些特点表明电子束烧结快速制造技能具有广阔的运用前景，它不仅可用于零件的直接制造，而且还可以用来修复大的金属零件。该技能一经涌现就成为发达国家和我国前辈制造技能领域的研究热点。电子束烧结快速制造事理如图1所示。
图1 电子束烧结快速制造示意图（清华大学供应）
日本Osaka大学以及韩国Pohang大学等研究机构也利用电子束在基体金属表面熔覆金属粉末；英国伯明翰大学利用电子束对合金提纯以及表面改性方面也作了大量的研究。证明了电子束烧结的可行性。 美国麻省理工学院提出了电子束实体自由制造技能EBSFF（Electron Beam Solid Freeform Fabrication），EBSFF类似于激光近净成形制造技能，电子束固定不动，事情台在打算机的掌握下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，加工质料（金属丝）通过送丝机构被电子束熔化层层堆积而得终极产品。
美国NASA的Langley研究中央也开拓出的类似于EBSFF的电子束自由快速制造技能（EB F3） 用于2219Al材零件的制造，它也是将金属丝质料送入聚焦电子束熔池内，一层层熔融堆积薄层组织而得预期零构件。上述电子束熔覆/堆积制造技能的特点是在一个较短暂的韶光内（如1 s）电子束只加热全体成形区域中的一个局部，其质料随电子束焦点或事情台移动而依次完成熔化/烧结并沉积在成形区域内。
由于受到能量密度和材料烧结特性的限定，上述分层制造工艺为了通过一次性扫描完成材料的熔化/烧结沉积，电子束扫描速率或事情台移动速率受到限定，只能逐点或分区加热，材料粉末或金属丝也只能逐点或分区被熔覆/烧结。因此加热的均匀性较差，由于材料受热不屈均，烧结过程随意马虎产生热应力。当加工完成后，若零件内存在较大残余应力必将对其精度和力学性能产生不良影响。特殊是烧结过程中的热应力，严重时会导致零件翘曲。此外，上述制备工艺因此材料粉末或丝作为质料，并附以干系送粉/丝装置。以粉末为质料，真空系统在吸排气产生的气流及电子束的高速轰击都可能吹起或溅射出眇小粉末，粉末质料飞散有危害真空室内运动部件的可能；而且送粉/丝装置的存在一定限定真空成形室的大小，一则直接影响设备的本钱，二则不利于超大成形件的制备。
目前比较领先的是瑞典Arcam AB公司开拓的电子束熔化技能EBM（Electron Beam Melting），EBM事情事理与选择性激光烧结类似，都是先CAD建模，然后将模型按一定的厚度切片分层（即将产品的三维信息离散成一系列二维轮廓信息），但EBM在真空事情室内以电子束为能量源，电子束通过以二维截面数据信息驱动，有选择的对铺粉平面上铺展压实的粉末类质料进行轰击，粉末质料在电子束的轰击下被熔化/烧结在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至全体零件全部烧结完成。Arcam公司利用EBM技能制备出在抗张强度、屈从强度、弹性模量等性能均优于铸造件的Ti6Al4及H13工具钢，并针对该技能研制出Arcam EBM S-12快速制造设备，该设备可制备出的最大尺寸为200 mm×200 mm×180 mm，精度为±0.3 mm的快速成形件。EBM S-12快速制造设备及三维产品的制备方法在美国、中国等均申请了专利，并已得到授权。
海内，清华大学激光快速成形中央联合海内紧张的电子整装备供应单位进行了多方论证，开拓出电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，并已在海内申请专利。他们发明的三维分层制造设备也因此粉末类材料为质料，但其电子束扫描掌握装置可掌握电子束在制订区域内以图形投影的办法快速扫描，均匀的加热粉体。该设备中电子束每一次扫描选定区域的韶光极短，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变革时，全体成形区域就已经扫描完成，经由一帧或多帧扫描，成型区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所学的温度，并一起沉积到成形区域上，然后同步的降温。
由于整体成型区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成形的精度和质量。该中央采取电子束烧结316L不锈钢粉末的微不雅观组织构造（如图2所示），其组织周详均匀，没有创造未熔颗粒。采取电子束烧结快速制造技能制备SiCP/ A1复合股料可摆脱传统工艺制造过程中陶瓷颗粒增强铝基复合股料易氧化、增强颗粒分散不屈均及界面结合差等制约其运用的难题，并能制造出任意繁芜形状的构造件。 清华大学的这套电子束分层制造设备和工艺显然进一步发展了国际上现有的电子束熔覆/烧结技能。
图2 电子束烧结316L粉末的微不雅观组织
5 存在的紧张问题
电子束烧结快速成形金属零件技能是近几年来刚提出来的新课题，虽然取得了一些发展，并有一些成绩，但是该技能要得到广泛的运用，还须在几个方面进行深入研究：
1）理论研究须要进一步深化，要建立制造过程的模型和三维数值仿照；
2）需进一步提高粉末的运送精度和流量，提高对熔池的掌握；
3）工艺研究需进一步系统化，办理工艺参数和成形精度，成形毛病的肃清和抑制等问题；
4）须要进行大量的实验以确定在不同情形下，如何使成形精度和成形速率达到最佳匹配，提高成 形效率；
5）开拓适用于该技能的合金材料并发展电子束熔覆过程的实时不雅观测技能。
6 结 语
电子束烧结与快速制造技能相结合作为一种金属零件快速成型技能，不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度及扫描速率快等优点，而且可以发挥快速制造无需工模具，开拓周期短及制造本钱低等上风。还有机的结合了电子束熔炼、粉末冶金及快速制造等诸多工艺的优点，必将在汽车、航空航天和医疗等领域得到快速发展和运用。具有非常广阔的运用前景。但目前该技能尚处于发展初期，根本问题的研究仍是当前研究的重点之一。
编辑：南极熊
作者：杨 鑫，汤慧萍，贺卫卫，刘海彦
