25年過去了，電子束和激光粉床熔融技術(shù)有哪些令人興奮的變革？

導(dǎo)讀：半個(gè)多世紀(jì)以來，關(guān)于激光和電子束這兩種能量束中究竟哪一種更適合成為精密焊接金屬的可行技術(shù)，學(xué)術(shù)界一直爭論不下。其中電子束能產(chǎn)生更深的焊接穿透力，但需要真空來防止光束散射，這意味著昂貴的真空室限制了應(yīng)用的規(guī)模。激光的焊縫穿透力較小，不需要真空，也不受真空室的限制，但容易受到氣體污染的影響。所以，它們都有各自的價(jià)值主張和應(yīng)用，。

時(shí)間倒退到80年代末和90年代初，美國、德國和瑞典的研究人員開始電子束和激光將腔體內(nèi)的金屬粉末床焊接成復(fù)雜的三維形狀。增材制造（AM）的激光粉末床熔融（LPBF）和電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術(shù)由此誕生。LPBF由SLMSolutions和EOS在90年代中期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而EB-PBF則由Arcam AB在1997年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

△EOS的AMCM M 290-2 1kW 激光粉末床融合系統(tǒng)能夠以精細(xì)的幾何精度 3D 打印銅部件

將電子束和激光粉末床熔融技術(shù)作為競爭技術(shù)進(jìn)行比較可能是不公平的，但25年后，由于各種原因，EB-PBF在整個(gè)金屬增材制造市場的應(yīng)用方面仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于LPBF，這已經(jīng)不是行業(yè)秘密。

激光與電子束增材技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

下圖展示了不同機(jī)器原始設(shè)備制造廠家的EB-PBF技術(shù)在不同時(shí)間段的發(fā)展歷程，該圖揭示了兩個(gè)有說服力的觀察結(jié)果：

1.      近 20 年來，Arcam 主推LPBF增材制造技術(shù)應(yīng)用，并與其他使用LPBF技術(shù)的制造商展開競爭。

2.      GE 于 2016 年收購 了Arcam公司 ，進(jìn)軍增材制造市場，隨后至少有六家新公司同樣進(jìn)入了這一行業(yè)。

△EB-PBF機(jī)器OEM的演變。圖片來源：巴恩斯全球顧問公司

讓我們?cè)囍鴮⑵溥M(jìn)一步分解。了解電子束和粉末特性之間的相互作用，避免粉末冒煙等問題，以及提高高壓架構(gòu)和真空室的可靠性和穩(wěn)定性，這些都是復(fù)雜的問題，并提高了新入局公司應(yīng)用EB-PBF技術(shù)的門檻。

EB-PBF很難達(dá)到LPBF設(shè)備的生產(chǎn)效率。對(duì)零件制造商來說，為了實(shí)現(xiàn)在無殘余應(yīng)力的情況下以更高的層厚進(jìn)行快速打印，需要對(duì)真空度、冷卻速度、陰極更換頻次和改善零件表面光潔度所需的時(shí)間進(jìn)行控制。

與LPBF技術(shù)相比，EB-PBF的核心優(yōu)勢(shì)在于它能夠熔化高溫、易裂和反射的合金。該技術(shù)主要針對(duì)于像鈦這樣的高價(jià)值、可焊接的金屬，以在醫(yī)療和航空航天市場占領(lǐng)高地。對(duì)于EB-PBF技術(shù)，探索工藝參數(shù)需要進(jìn)行大量培訓(xùn)，并且研究界缺乏一個(gè)開放的機(jī)器平臺(tái)，這些不利因素遏制了其他材料的開發(fā)，也使得EB-PBF成為鈦合金的專有代名詞。

然而，這些都是可以解決的問題。解決這些問題只需要資源，并通過競爭來保證這些資源。

在同一時(shí)間段內(nèi)，激光粉末床熔融技術(shù)成為金屬增材制造創(chuàng)新的溫床，并受益于大大小小幾個(gè)參與者的激烈競爭。每一個(gè)新的參與者和每一臺(tái)新的機(jī)器都試圖改善LPBF工藝的經(jīng)濟(jì)性，使其更適合市場應(yīng)用。

從下圖我們可以看到，在金屬加工領(lǐng)域，激光增材技術(shù)（LPBF）靠著外界能夠提高生產(chǎn)力的宣傳正在緩慢向上發(fā)展，而電子束增材技術(shù)（EB-PBF）仍在發(fā)展的低谷中掙扎。

△EB-PBF和LPBF在Gartner炒作周期中的地位。圖片來源：巴恩斯全球顧問公司

有利的宏觀趨勢(shì)

通用電氣增材公司在2016年收購Arcam之后，為這個(gè)領(lǐng)域注入了新的生命力。它在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)推出兩臺(tái)新機(jī)器，旨在提高生產(chǎn)力和開發(fā)新材料。在過去五年中，至少有六家新公司進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域，爭奪EB-PBF的未開發(fā)潛力。

這些新進(jìn)入者的時(shí)間也與一些宏觀趨勢(shì)相吻合，使商業(yè)環(huán)境更有利于采用增材制造�？偟膩碚f，制造業(yè)對(duì)增材制造的認(rèn)識(shí)已經(jīng)提高，這是推動(dòng)所有增材制造“船只“向前發(fā)展的潮流。Covid-19病毒的大流行暴露了供應(yīng)鏈缺乏彈性，促使美國等領(lǐng)先經(jīng)濟(jì)體重新關(guān)注提升國內(nèi)制造能力。當(dāng)像增材制造這樣可以在幾周內(nèi)提供替代品而不需要任何工具的技術(shù)出現(xiàn)后，制造行業(yè)便開始逐漸減少對(duì)傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的依賴，畢竟它的制造周期長達(dá)52周。在航空航天和醫(yī)療等管制行業(yè)中也開始不斷涌現(xiàn)新的增材制造認(rèn)證和資格標(biāo)準(zhǔn)，使參與規(guī)則比以前更加明確。更好的設(shè)計(jì)軟件、更好的培訓(xùn)和意識(shí)以及更好的整體價(jià)值鏈?zhǔn)垢�多的增材制造�?yīng)用成為可能。

增材制造行業(yè)的重點(diǎn)逐漸從昂貴的探索性項(xiàng)目轉(zhuǎn)移到需要堅(jiān)實(shí)商業(yè)案例的主流生產(chǎn)應(yīng)用。對(duì)于增材制造來說，該行業(yè)需要可靠的、可重復(fù)的、能夠提供高產(chǎn)量和生產(chǎn)率的機(jī)器。

今天的EB-PBF市場有什么新特點(diǎn)，讓我們對(duì)其光明的未來充滿希望？從宏觀上看，我們看到十年前推動(dòng)LPBF的相同因素，現(xiàn)在正在形成，以推動(dòng)EB-PBF進(jìn)入一個(gè)富有成效的生態(tài)系統(tǒng)。

EB-PBF的黃金時(shí)代

Freemelt、Wayland Additive、JEOL、Mitsubishi Electric、QBeam和Pro-beam這六家新加入的公司，各自有不同的起源、優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略。

Freemelt公司的根源可以追溯到瑞典，其創(chuàng)始人來自Arcam。該公司成立于2017年，其戰(zhàn)略似乎是通過一個(gè)開放的機(jī)器平臺(tái)來涉足更廣泛的研究領(lǐng)域，以加速新材料和應(yīng)用的開發(fā)，推動(dòng)市場采用，并隨后轉(zhuǎn)向工業(yè)生產(chǎn)。Freemelt的發(fā)展、規(guī)模和提供可靠的工業(yè)系統(tǒng)的能力將是將新材料過渡到生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵。

天津清研智束科技有限公司（QBeam）于2015年從中國的清華大學(xué)分離出來，連同其畢業(yè)生團(tuán)隊(duì)，宣傳了兩臺(tái)針對(duì)醫(yī)療和航空航天業(yè)的EB-PBF機(jī)器，以及第三臺(tái)僅針對(duì)材料研究的機(jī)器，與Freemelt公司很相似。隨著2017年的首次發(fā)布，該公司已經(jīng)積累了五年的成熟期，比這個(gè)名單上的任何其他公司都要多。雖然目前是一個(gè)區(qū)域性的參與者，但他們闖入全球舞臺(tái)可能只是一個(gè)時(shí)間問題。

Pro-beam公司來自德國，在電子束和激光焊接、微鉆行業(yè)和表面涂層方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。該公司正瞄準(zhǔn)小尺寸、高生產(chǎn)率的應(yīng)用空間，在Formnext 2021展會(huì)上推出了EB-PBF設(shè)備，與基于線材的系統(tǒng)一起。該公司擁有一系列的市場特征，如工藝平行化、電子光學(xué)原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和獨(dú)特的曝光策略以實(shí)現(xiàn)更好的熱量分布，預(yù)計(jì)這個(gè)新加入的公司將進(jìn)一步闡述其工業(yè)化計(jì)劃。

日本也加入了這個(gè)游戲，在2014年進(jìn)行了戰(zhàn)略投資，將工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聯(lián)合起來，以開發(fā)新一代工業(yè)3D打印機(jī)并將其商業(yè)化。這導(dǎo)致了兩個(gè)新的EB-PBF參與者：三菱電機(jī)的TADA Electric Co.和JEOL。

TADA與Pro-beam一樣，旨在將其電子束焊接技術(shù)帶入EB-PBF市場，其機(jī)器功率為6千瓦，并聲稱其陰極壽命為1000小時(shí)。聲稱是日本第一臺(tái)EB-PBF機(jī)器，三菱電機(jī)的品牌和全球影響力可能有助于該機(jī)器在市場上獲得更廣泛的接受。

另一方面，JEOL擁有70多年的電子光學(xué)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以及50多年的電子束計(jì)量和光刻技術(shù)，并在北美RAPID 2022展會(huì)上發(fā)布了工業(yè)級(jí)打印機(jī)，引起了轟動(dòng)。有趣的是，JEOL進(jìn)軍增材制造領(lǐng)域的策略與Freemelt正好相反，它是直接聚焦于比研發(fā)型打印機(jī)更難的工業(yè)級(jí)打印機(jī)，這一戰(zhàn)略表明JEOL可能愿意將其工業(yè)準(zhǔn)備工作押在其電子束研究基礎(chǔ)和其在130多個(gè)國家建立的全球服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之上。此外，JEOL已經(jīng)宣傳了直接針對(duì)EB-PBF痛點(diǎn)的創(chuàng)新解決方案。例如，該公司的專利真空技術(shù)，據(jù)說可使陰極壽命達(dá)到1500小時(shí)以上，是EB-PBF設(shè)備中最長的。JEOL對(duì)粉末冒煙問題的解決方案是一個(gè)物理屏蔽，被稱為 "電子屏蔽"，它消除了對(duì)氦氣的需求，這是一種昂貴的不可再生資源。JEOL還引入了其半導(dǎo)體光刻技術(shù)的專業(yè)知識(shí)，在打印過程中自動(dòng)糾正電子束的焦點(diǎn)和形狀，以確保零件的高度準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，這是工業(yè)機(jī)器的一個(gè)關(guān)鍵要求。

Wayland Additive是一家獲得A輪融資的英國初創(chuàng)公司，它試圖將成熟的電子束技術(shù)從半導(dǎo)體行業(yè)轉(zhuǎn)移到增材制造行業(yè)中。他們的主要重點(diǎn)是利用稱為NeuBeam的電荷中和技術(shù)來解決粉末冒煙問題，該技術(shù)使用活性離子流。Wayland還采用了熱部件工藝，而不是熱床工藝，在熱床工藝中，高溫只應(yīng)用于構(gòu)成被打印部件的粉末，而不是整個(gè)粉末床。這可以使冷卻速度更快，并便于粉末的清除。Wayland的市場戰(zhàn)略似乎是一種具有開放參數(shù)的工業(yè)機(jī)器，可以讓客戶開發(fā)他們選擇的材料。雖然Wayland作為一家初創(chuàng)公司的敏捷性可能是有優(yōu)勢(shì)的，但人們希望它能夠解決制造強(qiáng)大的工業(yè)機(jī)器進(jìn)行批量生產(chǎn)的嚴(yán)格要求，并在尋求擴(kuò)大規(guī)模時(shí)建立一個(gè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

△作為“熱部件”而非“熱床”工藝，NeuBeam 3D 打印只需要對(duì)部件的橫截面進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，從而縮短了構(gòu)建時(shí)間。未使用的粉末保持松散，這也簡化了后處理。照片：Wayland Additive

EB-PBF的發(fā)展方向是什么？

從建造量和目前可供選擇的材料數(shù)量方面對(duì)EB-PBF機(jī)器進(jìn)行映射（見下圖），我們可以發(fā)現(xiàn)在不同的市場類別中存在競爭：研發(fā)/醫(yī)療、典型尺寸和大尺寸應(yīng)用。Freemelt One（0-6k-W光束）和QBeam Lab 200（3k-W光束）顯然是針對(duì)小批量的快速材料研究和開發(fā)。GE Arcam Q10+（3千瓦光束）和QBeam Med 200（3千瓦光束）是專門為醫(yī)療行業(yè)提供的產(chǎn)品，其中骨科植入物等部件的占地面積很小。GE Arcam Spectra L（4.5千瓦光束）、Wayland Calibur 3（5千瓦光束）和QBeam Aero 350（6千瓦光束）可以滿足利基市場對(duì)激光器無法實(shí)現(xiàn)的大型部件打印的需求。JEOL JAM-5200EBM（6千瓦光束）和GE Arcam Spectra H（6千瓦光束）在引入新合金的典型應(yīng)用空間方面有直接的競爭，目前大多數(shù)非醫(yī)療生產(chǎn)應(yīng)用都屬于這一領(lǐng)域。

△EB-PBF機(jī)器的比較。圖片來源：巴恩斯全球顧問公司

所有三個(gè)類別的競爭將有望迫使產(chǎn)品差異化，促進(jìn)人員和思想的流動(dòng)，并幫助解決EB-PBF的痛點(diǎn)。

南極熊評(píng)論

南極熊認(rèn)為，隨著新入局者開放平臺(tái)以開發(fā)和優(yōu)化新的工藝參數(shù)，并專注于提高原位檢測(cè)能力，EB-PBF的尖端技術(shù)必將加速新合金的開發(fā)。金屬間化合物、功能分級(jí)多元材料、形狀記憶合金、耐火材料和銅基合金可以幫助解鎖醫(yī)用髖關(guān)節(jié)杯和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以外的新應(yīng)用，如熱傳導(dǎo)、切削工具、機(jī)電馬達(dá)、耐磨產(chǎn)品、核反應(yīng)堆部件和其他高溫應(yīng)用�？梢钥隙ǖ氖�，電子束增材制造的精彩時(shí)代即將到來。