電子束粉末床熔融增材制造裝備發展綜述

焦沫涵，龍宏宇，梁嘯宇，周俊，林峰*

電子束粉末床熔融增材制造裝備發展綜述

焦沫涵1,2,3，龍宏宇4,5，梁嘯宇1,2,3，周俊4,5，林峰1,2,3*

（1.清華大學 機械工程系 清潔高效透平動力裝備全國重點實驗室，北京 100084；2.先進成形制造教育部重點實驗室，北京 100084；3.生物制造與快速成形技術北京市重點實驗室，北京 100084；4.有色金屬與特種材料加工全國重點實驗室，南寧 530004；5.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004）

電子束粉末床熔融（EB-PBF）增材制造技術具備成形效率高、成形零件應力低等優勢，適用于高溫合金、高熔點金屬的成形，在航空航天、生物醫療等領域具有廣闊的應用前景。對電子束粉末床熔融裝備的研究情況進行了概述，回顧了EB-PBF裝備的發展歷程，匯總分析了國內外主要廠商的裝備特點及研發進展，綜述了抗吹粉、多材料、多束流復合3個方面裝備的關鍵改進與創新方法。在此基礎上，著重介紹了離子中和、機械裝置屏蔽、近紅外預熱等新型成形艙改進方案，及其對工藝過程穩定性的提升效果；介紹了新型鋪送粉裝置改進方案對多材料成形的潛力，即該方案可有效滿足多材料成形、成形效率提高等需求；此外提出并實現了多電子槍同幅加熱成形、電子束-激光復合成形等突破傳統單電子槍加工思路的新型成形技術。最后，總結了該方向的研究進展并對其發展前景和主要發展方向進行了展望。

增材制造；電子束粉末床熔融；電子束選區熔化；裝備；材料加工

近年來，粉末床熔融增材制造（Powder Bed Fusion，PBF）作為一種重要的現代制造技術，吸引了大量學者。作為近凈成形技術的代表，PBF通過逐層熔融粉末材料，實現了三維數字模型向實體構件的轉換[1-2]。這種技術有別于傳統制造工藝，它能一次性成形傳統工藝無法制造的復雜結構、中空結構等，在大大提高零部件設計自由度的同時降低了零部件出現接縫缺陷的可能，提高了產品的整體性能和可靠性，同時消除了傳統減材制造過程中的材料浪費。

基于不同能量源的粉末床熔融增材制造方式可以分為2種：激光粉末床熔融技術（Laser Powder Bed Fusion，L-PBF）和電子束粉末床熔融技術（Electron Beam Powder Bed Fusion，EB-PBF）。如圖1所示，與L-PBF相比，使用電子束作為能量源的EB-PBF有更高的能量利用率、粉末吸收率和成形效率，這種加工方式對脆性金屬、高溫合金、高反材料的加工提供了優良的條件[3]。但是，它需要真空環境以防止電子束散射[4]，這無疑增加了制造成本，限制了應用尺寸。相對而言，L-PBF的熔深較小，光斑較細，雖然效率較低，但精度較高，且不需要真空環境，因此不受腔室大小限制，但易受氣體污染影響[5-6]。

圖1 EB-PBF的特點（a）及不同金屬粉末對不同熱源的吸收率（b）[3]

在90年代中期，SLM Solutions和EOS公司開始商業化應用L-PBF；1997年，Arcam AB公司開始商業化應用EB-PBF[7]。目前，EB-PBF的應用案例比L-PBF的少[8]。然而，隨著電子束增材制造行業的發展，EB-PBF已在航空航天[9]、醫療[10]等多個領域展現出優勢。例如，在航空航天領域，GE集團在2019年開始利用60余臺Arcam電子束加工設備批量制造鈦鋁航空發動機低壓渦輪葉片，在2020年將其裝配在GE9X發動機上并實現首飛[11]。在醫療領域，該技術為患者量身定制了生物醫學植入件，最典型的案例是骨科人工髖關節植入的髖臼杯。據統計，每30例髖關節手術中就有1例使用由Arcam設備成形的髖臼杯[12]。此外，在能源、汽車、電子等行業，EB-PBF也在零部件精密制造、快速成形等方面展現出獨特優勢。

EB-PBF技術需要真空條件、精密的電子槍設計和傳動系統設計等，商業化應用的門檻較高，一度導致它只有小規模應用。但隨著技術水平的不斷提高，越來越多的廠商投入到了EB-PBF設備與技術的研發中。近年來，針對EB-PBF成形過程的特點和應用需求，還涌現出了如Wayland公司的中性束技術[13]等新興研究路線。目前關于EB-PBF設備和技術的綜述文章較少，這些文章無法準確反映EB-PBF的發展現狀和未來趨勢。因此，本文深入探討了EB-PBF的設備、應用、獨特技術以及未來發展方向，同時揭示了其在制造業中日益重要的地位。未來，隨著制造技術的進步，EB-PBF的成形速度和成本將進一步得到優化，其應用將更為廣泛，尤其在航空、航天、醫療、能源等領域，EB-PBF技術有望推動技術創新升級。

1 電子束粉末床熔融的裝備發展

電子束粉末床熔化（EB-PBF）也稱為電子束選區熔化（EBSM）或者電子束增材制造（EBAM），是一種先進的3D打印技術。不同于L-PBF利用激光作為能量源并利用振鏡系統控制光束路徑，EB-PBF是通過加熱鎢燈絲或者六硼化鑭（LaB6）單晶陰極發射電子，并經過高壓（≥60 kV）加速后形成電子束流來轟擊粉末床，將電子的大部分動能轉化為金屬粉末的熱能，進而熔化粉末進行成形[14-15]。電子槍利用電磁線圈來控制電子束流的偏轉和聚焦，使其具備較高的成形能力和精度。同時，為了減小電子與氣體分子（如氧氣、氮氣等）碰撞造成的能量損失，通常在高真空度和氦氣氛圍下進行成形，這避免了因金屬粉末在高溫下氧化而對成形零件的性能產生影響[16-18]。由于電子束粉末床熔融技術有著較高的能量利用率和成形效率，因此使用電子束粉末床熔融技術加工成形高性能金屬部件有著明顯優勢。

近年來，相關行業對EB-PBF技術的認可程度不斷提高，隨著電子槍技術、控制系統與EB-PBF工藝不斷進步和成熟，EB-PBF設備呈現出快速發展的趨勢，如圖2所示。本文對EB-PBF設備的發展歷程及關鍵節點進行了概述，并對比分析了國內外商業化EB-PBF設備的最新研發進展。

圖2 電子束粉末床熔融設備廠商發展歷程

電子束熔化的概念最早在20世紀80年代末被提出，并在20世紀90年代得到進一步發展，其技術原理由瑞典Arcam公司與瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）提出并取得專利[19]，早期的工作包括使用電子束選擇性地逐層熔化金屬粉末以建立復雜形狀，這一階段的主要工作是進行概念性驗證。生產的原型機體積大，也沒有針對工業規模生產對系統進行優化。

在21世紀初期，電子光學技術有了顯著的進展。更精確的電子束聚焦和掃描技術被開發出來，這利于更好地控制熔化過程，提高打印部件的分辨率和表面質量。在此期間，制造商開始商業化應用EB-PBF系統，使電子束粉末床熔融技術正式應用于工業。從1997年至2012年，Arcam公司一直是全球唯一的EB-PBF商用化設備的供應商[20]，而此后，已經有超過7家企業或公司成為EB-PBF設備的研發與生產商。例如中國北京清研智束有限公司、西安塞隆金屬材料有限公司、日本電子株式會社（JEOL）、瑞典Freemelt公司、日本三菱公司、德國ALD和Pro-beam公司等。

瑞典Arcam公司率先在2002年推出了全世界第一臺商用EB-PBF設備（EBM S12）[21]。在此后的21年間，又陸續推出了Arcam A1/A2/A2X、Q10/10plus、Q20/20plus、Spectra H/L系列的EB-PBF設備[22]，其中Q系列在生物醫療領域應用；A系列主要針對高溫合金、金屬間化合物（渦輪葉片、航空結構件）以及新材料的開發；Spectra系列則適用于生產較大尺寸零件。2016年，Arcam公司被GE（General Electric，USA）公司收購[23]。

瑞典的Freemelt公司成立于2017年，于2019年研發并對外銷售了Freemelt One EB-PBF系統[20,24]，該系統受限于真空室及成形缸尺寸，無法成形較大的零部件，其優勢在于能經濟高效地開發新材料及成形工藝，被很多科研機構采用。

清華大學機械工程系自2004年就開始開發具有完全自主知識產權的EB-PBF設備，并先后給國內西北有色院、中科院合肥物質研究院等單位提供了科研型EB-PBF設備[25]。2015年，依托清華大學高端裝備研究院的QBeam公司（今北京清研智束公司）推出了2款EB-PBF設備，即Med 200和Lab 200系列。目前，清研智束QBeam Lab系列產品已經成功交付俄羅斯等國家。2022年，清研智束推出Qbeam G350和S600系列。前者采用了雙電子槍陣列，可以實現雙槍同幅掃描（電子束間干擾位移≤10 μm），顯著提高了成形效率，保證粉末床溫度在1 250 ℃精確可控，能夠低應力成形熱裂敏感材料，非常適用于大尺寸難焊高溫合金部件的成形；S600則采用2×2陣列式電子槍系統，結合600 mm×600 mm的成形幅面，可以實現大尺寸零件的高效率成形。

西安賽隆金屬材料有限公司成立于2013年，是西北有色金屬研究院控股的專業從事電子束選區熔化裝備及打印服務的高新技術企業。賽隆公司針對不同的成形尺寸、金屬材料及應用領域，推出了不同系列與型號的電子束選區熔化設備，如Sailong Y系列、T系列及H系列。

德國Pro-beam公司專注于開發電子束和激光焊接、微孔鉆孔和表面涂層技術。該公司的EB-PBF機器主要針對小尺寸和高生產率的應用領域。在2021年Formnext展上，該公司推出了PB EBM 30S設備，該設備具有處理并行化、電子光學原位監測系統和獨特的熱分布曝光策略等一系列特點。

德國企業ALD最早從事真空熔煉和真空熱處理設備的研發與服務，是一家真空冶金經驗豐富的制造企業。該企業于2020年推出了一款電子束粉末床金屬3D打印系統——EBuild 850，也是截至目前市面上成形幅面（850 mm×850 mm×1 000 mm）最大、電子槍功率（45 kW）最高的電子束粉末床打印設備，這種高電壓電子槍設備不僅利于成形大尺寸零件，還可以提高成形效率，例如支持使用更大粒徑的粉末（>150 μm）或低流動性的粉末。

日本于2014年成立了兩家EB-PBF供應商，分別為TADA和JEOL[26]。TADA與Pro-beam類似，旨在將電子束焊接專業知識引入EB-PBF市場，推出了搭載6 kW電子的EB-PBF設備——EZ 300，也是日本第一臺EB-PBF設備[27]。JEOL擁有70多年的電子光學研發生產經驗以及50多年的電子束測量和光刻專業知識，于RAPID 2022展上推出了一款工業級打印機——JAM 5200EBM，其陰極壽命可達到1 500 h，是目前EB-PBF機器中陰極使用壽命最長的打印機。此外，JAM 5200EBM采用了一種名為“E-Shield”的物理屏蔽技術，用來解決打印過程中的吹粉問題。

Wayland Additive是一家英國初創公司，該公司試圖將成熟的電子束技術從半導體行業轉移到增材制造行業，并推出了EB-PBF商業設備——Calibur 3[28]。該設備的特點是采用了一種稱為NeuBeam的電荷中和技術，即通過正離子流來中和帶電粉末顆粒的電荷，從源頭上解決了吹粉現象[13]。Wayland還采用了局部粉床預熱工藝，即僅對打印件的粉末施加局部熱源，有效避免了粉末床燒結問題，提高了粉末的重復利用率。

圖3匯總了目前EB-PBF商業化設備的基本情況，分析了設備的基本成形能力和適用材料范圍。表1梳理了設備的主要技術特點和指標。

2 電子束粉末床熔融設備的改進與創新

2.1 抑制吹粉的裝備與關鍵技術

在EB-PBF技術中，電子槍提供高能電子束并將其發射到粉末表面，材料吸收電子的動能并轉化為熱能對粉末進行熔化，射入粉末床的電子會在受照射的粉末顆粒上積累，進而產生靜電排斥，這種電子束與粉末之間的瞬態相互作用會導致粉末劇烈運動，即吹粉現象[29]，如圖4所示[30]。在吹粉過程中，成形幅面上的粉末被揚起并散落到真空室中，破壞了粉末層，使EB-PBF過程不可逆轉的中止。

預熱是防止吹粉的有效方法之一，這種方式是通過預燒結粉末顆粒來提高粉末層的力學強度進而防止吹粉[31-33]，研究者們通過進行大量試錯實驗來獲得不吹粉的工藝參數窗口[34-35]。Wang等[30]、Eschey等[36]和Ye等[37]均通過高速攝影和電子信號檢測的手段實時監測了EB-PBF吹粉過程，提出了電子束吹粉是可以被檢測的，當吹粉現象發生時，相應的信號特征可以反映出吹粉過程中不同階段的粉末運動狀態，由此可以檢測吹粉過程，從而預防或控制吹粉。

圖3 商業化電子束粉末床熔融設備匯總

表1 市面在售不同EB-PBF設備的比較

Arcam公司在電子槍側壁上安裝了X射線傳感器來監測電子槍內部的飛濺粉末[38]。這種方法有助于防止電子槍損壞，但直到粉末完全揚起傳感器才做出反應，這仍然會造成打印停止。

英國Wayland Additive公司[28]針對吹粉問題提出了NeuBeam（中性束）工藝，通過在粉床上加載正電荷中和粉末床中積聚的負電荷，防止帶電的電子束撞擊松散的粉末床進而避免吹粉。當消除與粉末充電相關的風險后，電子束熔化更像激光燒結。NeuBeam作用于粉末床的溫度高于所用材料的退火溫度但低于燒結溫度，這意味著未使用的粉末保持松散狀態，不會出現燒結后產生難以清理的硬質粉末床的現象，極大地簡化了粉末去除和后處理的過程。

Freemelt公司于2022年在瑞典申請了一項名為ProHeat?的粉末床預熱技術專利[39]，此項技術在粉末床上方放置了一個加熱保護裝置，如圖5所示，這個加熱板可以在粉末床和電子槍之間旋轉。同時，加熱板被入射的電子束加熱，通過二次輻射加熱下面的粉末，與現有的使用電子束預熱粉床的方式相比，這項技術屬于間接加熱，可以保證粉末在不與電子相互作用的情況下被加熱，從而消除了粉末帶電，因此也無須關心粉末的粒徑和電導率。同時，該公司表示這項技術可以不需要在成形室中填充惰性氣體防止吹粉，這樣保證真空室中更好的真空度，有利于提高電子束的質量。

日本的JEOL公司也針對吹粉問題研發了相應的解決方案。該公司使用一個環繞成形區域的“E-Shield”[40]，即電子屏蔽圈，來避免粉末粒子的散射和充電。這個設備的設計是為了最大程度地控制熔化過程中粉末粒子的分散情況，以優化成形質量。

圖4 單點下束狀態下吹粉發展過程的高速攝影圖像[30]

圖5 ProHeat? 的預熱流程[39]

Sj?str?m等[41]提出了使用近紅外輻射（Near- Infrared Radiation，NIR）的方式預熱粉末床，他們將一套尺寸為100 mm×120 mm、功率為6 kW的NIR設備與Arcam的EB-PBF設備相結合（如圖6所示），成功實現了對底板和粉末床的加熱。通過該技術成形的Ti6Al4V和316L試樣表現出了與傳統EB-PBF相似的組織特征和硬度。他們認為，通過利用NIR設備輔助預熱粉床，打印的單層時間縮短了13%～80%，并且指出，當電子束只負責成形時，燈絲的壽命將會大大提高，維護成本有所降低。

2.2 多材料成形

EB-PBF在制備多材料方面具有很大的潛力，其中梯度結構有著獨特的性能和較易的制備過程。Guo等[42]開發了一種新型EB-PBF裝置（如圖7所示），該裝置通過兩側的振動裝置將不同材料的粉末送入粉末混合裝置中，粉末混合裝置通過判斷重量來控制粉末混合比例，并通過機械混合至均勻，混合后的粉末被平鋪在粉末床上用來成形，他們成功制備出沿構建方向上具有成分梯度的Ti6Al4V/Ti47Al2Cr2Nb材料。Fu等[43]提出了一種選擇性鋪粉方法（如圖8所示），他們使用不同粒徑的銅和鎢的粉末成形了Cu-W功能梯度材料。在EB-PBF過程中，當層厚較小時，粉末混合物中的大部分粗粉末在鋪粉時被移除，這導致在粉末層中剩余了更多的細粉末。基于這種選擇性鋪粉原理，在成形時可通過控制每一層的層厚，從而控制成形件的化學成分。但由于打印完畢后的粉床由混合粉末構成，很難對粉末進行回收利用。

圖7 振動下粉（a）以及混粉與鋪粉示意圖（b）[42]

2.3 多束流復合成形

隨著EB-PBF和L-PBF的發展，研究人員開始開發新的增材制造工藝，通過結合不同制造方式的優點，達到提升加工效率、擴大材料適應范圍、提升加工精度、解決單種增材制造工藝存在的技術瓶頸等目的。EB-PBF技術也衍生出了電子束-電子束復合、電子束-激光復合的新方案。

圖8 Freemelt One設備的成形室（包括供粉和鋪粉裝置）（a）以及選擇性鋪粉系統的示意圖（b）[43]

2.3.1 電子束增減材

林峰等[44]在2017年開發了電子束增減材復合增材制造裝備，將電子束選區熔化與電子束切割功能結合，通過電子束對成形件輪廓進行切割以提高成形件表面質量，如圖9所示。針對316L不銹鋼，采用電子束跳轉脈沖切割和連續快速掃描切割2種方法，在現有的EB-PBF設備中實現了電子束切割工藝[45]，并與EB-PBF工藝結合，降低了316L不銹鋼的側表面粗糙度，初步驗證了電子束增減材工藝的可行性及其改善EB-PBF成形件表面質量的能力。

2.3.2 電子束-電子束復合（雙槍同幅）

為更好地保證粉末床在高溫時的溫度穩定性，避免在電子束選區熔化時粉末床溫度下降，清華大學與清研智束合作提出了電子束與電子束復合的雙槍同幅、同步預熱技術，使用2臺電子槍，可分別進行選區熔化和粉末床預熱，實現了高溫預熱與成形加工在同一幅面的同步進行（見圖10）。與傳統EB-PBF工藝相比，雙槍同幅同步預熱工藝有利于保持粉末床溫度的穩定性，可以保證粉末床在1 000 ℃以上時的穩定性，有利于解決難焊鎳基高溫合金零件成形過程中的凝固裂紋問題。清研智束公司已推出了商業化的Qbeam G350設備[46]，使用雙槍同幅技術，通過同步進行粉末床的預熱掃描和零件截面的填充與輪廓掃描，可保證粉末床溫度在1 250 ℃時精確可控，適用于形狀復雜、裂紋敏感性材料零部件的加工制造，如大尺寸薄壁零部件及金屬間化合物、難焊高溫合金、難熔金屬、高熵合金等。

圖9 電子束增減材復合制造裝備原理示意圖（a）[44]以及電子束增減材復合工藝實驗的零件表面（b）[45]

圖10 電子束雙槍同幅復合增材制造原理示意圖（a）以及電子束雙槍復合增材制造裝備（b）

2.3.3 電子束-激光復合

電子束粉末床熔融技術（EB-PBF）具有效率高、溫度可控、材料適應性廣等特點，但由于束斑粗大，其成形精度較低。激光粉末床熔融技術（L-PBF）的成形精度高、制件表面粗糙度低，但成形效率較低。清華大學李宏新等[47]提出將2種選區熔化技術相結合，以實現具有更高效率、更高精度和更高材料適應性的電子束與激光復合選區熔化（EB-LHM）的新型增材制造技術，并且開發了電子束-激光復合設備，如圖11所示。EB-LHM的電子束和激光同步工作，利用電子束能量利用率高的特點進行粉末床預熱，利用激光精度高的特點進行輪廓或主體成形，成功改善了電子束增材制造Ti6Al4V的表面質量[48]。電子束-激光復合的加工思路不僅能提高零件的成形質量，還有望通過工藝上的結合解決EB-PBF的技術瓶頸。

圖11 電子束-激光復合設備示意圖（a）與成形工藝過程（b）

電子束與激光有很多種復合方式，例如電子束預熱-激光成形和激光預熱-電子束成形等。Hao等[49]對比了上述2種電子-激光復合混合策略。結果顯示，2種復合方式都可以得到致密度99%以上的Ti6Al4V樣品，并且通過混合預熱策略調控溫度場可以使材料展現出不同的組織特征，其中電子束預熱-激光成形復合手段可以實現較高的強度（抗拉強度為1 059 MPa± 62 MPa）和較好的塑性（應變為14.8%±4.0%）。

周斌[50]使用EB-LHM設備進行了電子束-激光復合預熱的研究，他利用激光預先燒結并固定粉末床，增強了粉末抗吹粉能力，之后利用大功率電子束繼續預熱粉末床到指定溫度，這樣不僅可以避免吹粉問題，還可以縮短預熱時間，大大提高了EB-LHM的材料適應性和成形效率。

3 總結與展望

增材制造是未來制造業的關鍵發展方向之一。近幾年，作為一種具有巨大潛力的金屬增材制造方法，EB-PBF技術在攻克技術難關的同時逐步產業化，并在航空航天、醫療設備等行業得到了廣泛的應用。我國對EB-PBF的基礎研究已經得到了國際認可，并且逐步實現了設備的自主研發，特別是在大尺寸EB-PBF和復合EB-PBF技術方面，我國已經走在了全球的前列。這將有助于推動我國先進制造技術的發展。

近些年EB-PBF產業正處于快速發展階段，不論是在科研領域還是在商業領域，都有了實質性的進步，但該技術仍然有進一步發展和改進的潛力，在未來有以下幾個方面值得進一步研究：

1）大型化。目前，L-PBF設備廠家已經通過使用陣列掃描的方式實現了超過1 m的成形幅面，提高了成形效率，這對制造大型零件和提升成形效率具有重要意義。然而，由于電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術中電子槍的陰極壽命和穩定性相較于激光器的低，其大尺寸陣列技術的發展仍有待深入研究和探索。

2）集成化與智能化。目前，EB-PBF的集成化和智能化程度仍有待提高。通過構建閉環制造體系，實現粉末生產、零件制造、粉末回收等環節的無縫連接，可以進一步優化制造流程。同時，引入工業4.0的智能生產理念，建立成形質量的在線監測系統，實時調整工藝參數，以及利用AI和大數據分析手段進行打印決策等，都有望大幅提升EB-PBF的成形質量和制造效率，降低制造成本。

3）新材料與新工藝的開發。目前，EB-PBF工藝集中在鈦合金、高溫合金等具有特定本征的金屬材料的成形。需要根據具體材料的應用背景將電子束粉末床熔融的優勢最大化，進一步拓展EB-PBF材料的選擇范圍，并開發EB-PBF專用的高質量金屬粉末。此外，應發展新的理論和表征手段來評估增材制造零件微觀結構和性能的關系，提高對增材制造零件的工藝、結構、性能之間相互關系的理解。結合模擬仿真建立打印參數與零件目標性能的模型，如溫度場、溶質場、冷卻速率、凝固和晶粒生長等，減少缺陷，加快新材料的開發進度，提高產品質量。

4）復合成形技術。EB-PBF仍有成形穩定性低、精度差的問題，通過復合電子束、激光、數控切削等工藝繼續攻堅復合成形技術難點，提高成形精度、成形效率和解決EB-PBF的技術瓶頸也將是重要技術發展趨勢。

5）電子槍技術。目前大多數EB-PBF設備使用的是加速電壓為60 kV的電子槍，陰極壽命在幾百小時內，通過提高電子槍加速電壓、提高電子束光斑精度、提升電子槍壽命是助力EB-PBF走向大規模產業化的關鍵。

[1] FU Z, K?RNER, CAROLIN. Actual State-of-the-Art of Electron Beam Powder Bed Fusion[J]. European Journal of Materials, 2022, 2(1): 54-116.

[2] KHAJAVI S H, PARTANEN J, HOLMSTROM J. Additive Manufacturing in the Spare Parts Supply Chain[J]. Computers in Industry, 2014, 65(1): 50-63.

[3] 梁嘯宇, 張磊, 林峰. 電子束粉末床熔融制備鈦鋁基金屬間化合物研究進展[J]. 精密成形工程, 2022, 14(11): 81-97.

LIANG Xiao-yu, ZHANG Lei, LIN Feng. Research Progress of TiAl Intermetallic Fabricated by Electron Beam Powder Bed Fusion[J].Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(11): 81-97.

[4] SCHAROWSKY T, BAUEREI? A, K?RNER C. Influence of the Hatching Strategy on Consolidation during Selective Electron Beam Melting of Ti-6Al-4V[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 92: 2809-2818.

[5] HASSEL T, KLIMOV G, BENIYASH A. Beam Extraction Using Non Vacuum Electron Beam by Reduced Acceleration Voltage[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2018, 1109: 012017.

[6] KLASSEN A. Simulation of Evaporation Phenomena in Selective Electron Beam Melting[M]. Erlangen: FAU University Press, 2018.

[7] K?RNER C. Additive Manufacturing of Metallic Components by Selective Electron Beam Melting-a Review[J]. International Materials Reviews, 2016, 61(5): 361-377.

[8] 張朝瑞, 錢波, 張立浩, 等. 金屬增材制造工藝、材料及結構研究進展[J]. 機床與液壓, 2023, 51(9): 180-196.

ZHANG Chao-rui, QIAN Bo, ZHANG Li-hao, et al. Research Progress of Metal Additive Manufacturing Process, Materials and Structure[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2023, 51(9): 180-196.

[9] TAN X P, KOK Y, TOR S B, et al. Application of Electron Beam Melting (EBM) in Additive Manufacturing of an Impeller[C]// International Conference on Progress in Additive Manufacturing, Singapore, 2014: 327-332.

[10] PONADER S, VAIRAKTARIS E, HEINL P, et al. Effects of Topographical Surface Modifications of Electron Beam Melted Ti-6Al-4V Titanium on Human Fetal Osteoblasts[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2010, 84(4): 1111-1119.

[11] BLAKEY-MILNER B, GRADL P, SNEDDEN G, et al. Metal Additive Manufacturing in Aerospace: A Review[J]. Materials & Design, 2021, 12: 110008.

[12] CARRIERE P R. Energy and Charge Transfer during Electron Beam Melting[M]. Montreal: McGill University (Canada), 2018.

[13] DEN B J A, HUSSEY M J, RICHARDSON W T, et al. Additive Layer Manufacture Using Charged Particle Beams: U.S. Patent 10,879,039[P]. 2020-12-29.

[14] 李宏新. 90 kV高壓電子束粉末床熔融增材制造技術研究[D]. 北京: 清華大學, 2022.

Hong-xin. 90 kV High-voltage Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Technology Research[D]. Beijing: Tsinghua University, 2022.

[15] SIGL M, LUTZMANN S, ZAEH M F. Transient Physical Effects in Electron Beam Sintering[C]// 2006 International Solid Freeform Fabrication Symposium, 2006: 464-477.

[16] WANG C, TAN X, LIU E, et al. Process Parameter Optimization and Mechanical Properties for Additively Manufactured Stainless Steel 316L Parts by Selective Electron Beam Melting[J]. Materials & Design, 2018, 147: 157-166.

[17] ZHONG Y, R?NNAR L E, LIU L, et al. Additive Manufacturing of 316L Stainless Steel by Electron Beam Melting for Nuclear Fusion Applications[J]. Journal of Nuclear Materials, 2017, 486: 234-245.

[18] R?NNAR L E, KOPTYUG A, OLSéN J, et al. Hierarchical Structures of Stainless Steel 316L Manufactured by Electron Beam Melting[J]. Additive Manufacturing, 2017, 17: 106-112.

[19] 張靖. 電子束選區熔化數字式掃描控制系統研究[D]. 北京: 清華大學, 2011.

ZHANG Jing. Research on the Digital Scanning Control System for Electron Beam Selective Melting[D]. Beijing: Tsinghua University, 2011.

[20] KOWEN J. Unrealised Potential: The Story and Status of Electron Beam Powder Bed Fusion[J]. Metal Additive Manufacturing, 2020, 6(2): 119-131.

[21] ARCAM A. Arcam History[EB/OL]. (2015)[2023-08-10]. http://www. arcam.com/company/abo ut-arcam/history/.

[22] ARCAM A. EBM? Electron Beam Melting-in the forefront of Additive Manufacturing[EB/OL]. (2019) [2023- 08-10]. http://www. arcam. com/company/about-arcam/ history/.

[23] LIETAERT K, WAUTHLE R, SCHROOTEN J. Porous Metals in Orthopedics[J]. Biomaterials in Clinical Practice: Advances in Clinical Research and Medical Devices, 2018(10): 281-301.

[24] ALMEIDA H, VASCO J. Expectations of Additive Manufacturing for the Decade 2020-2030[C]// Progress in Digital and Physical Manufacturing: Proceedings of ProDPM'19, 2020: 10-19.

[25] 李宏新, 梁嘯宇, 張磊, 等. 電子束粉末床熔融技術發展綜述[J]. 大型鑄鍛件, 2022(5): 19-26.

LI Hong-xin, LIANG Xiao-yu, ZHANG Lei, et al. A Review of the Development of Electron Beam Powder Bed Fusion Technology[J]. Heavy Casting and Forging, 2022(5): 19-26.

[26] KYOGOKU H, CHIBA A, HASHITANI M, et al. The Development Status of the National Project by Technology Research Assortiation for Future Additive Manufacturing (Trafam) in Japan[C]// 2019 International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, 2019: 1641-1650.

[27] 宮田, 淳二. 電子ビーム方式金屬3dプリンタの開発[J]. 粉體および粉末冶金, 2021, 68(10): 442-449.

[28] WILL R C. Metal Additive Manufacturing: A “3rd” Way with the Pbf Process[EB/OL]. (2020) [2023-08-10]. https://www.waylandadditive.com/articles/metal-additive-manufacturing-a-3rd-way-with-the-pbf-process/.

[29] QI H, YAN Y, LIN F, et al. Direct Metal Part Forming of 316l Stainless Steel Powder by Electron Beam Selective Melting[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2006, 220(11): 1845-1853.

[30] WANG D F, ZHAO D C, LIANG X Y, et al. Multiple Stages of Smoking Phenomenon in Electron Beam Powder Bed Fusion Process[J]. Additive Manufacturing, 2023, 66: 103434.

[31] LARSSON M, SNIS, ANDERS. Method and Device for Producing Three-Dimensional Objects: China, CN1016-78-455 B[P]. 2012-09-26.

[32] KARLSSON J, NORELL M, ACKELID U, et al. Surface Oxidation Behavior of Ti-6Al-4V Manufactured by Electron Beam Melting (Ebm)[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2015, 17: 120-126.

[33] GIOVANNI R, MANUELA G, LUCA I. A Phase-Field Study of Neck Growth in Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) Process of Ti6Al4V Powders under Different Processing Conditions[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 123(3/4): 855-873.

[34] LI Y, KAN W B, ZHANG Y M, et al. Microstructure, Mechanical Properties and Strengthening Mechanisms of In738lc Alloy Produced by Electron Beam Selective Melting[J]. Additive Manufacturing, 2021, 47: 102371.

[35] LI Y, LIANG X Y, YU Y F, et al. Microstructures and Mechanical Properties Evolution of In939 Alloy during Electron Beam Selective Melting Process[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 883: 160934.

[36] ESCHEY C, LUTZMANN S, ZAEH M F. Examination of the Powder Spreading Effect in Electron Beam Melting (EBM)[C]// 2009 International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, 2009: 308-319.

[37] YE J, RENNER J, K?RNER C, et al. Electron-Optical Observation of Smoke Evolution during Electron Beam Powder Bed Fusion[J]. Additive Manufacturing, 2023, 70: 103578.

[38] LJUNGBLAD U. History and Future of EBM[C]// 1st International Conference on Electron Beam Additive Man-ufa-cturing EBAM, Germany, 2016.

[39] ACKELID U. Preheating of Powder Bed: Swedish Patent WO2021SE50352[P]. 2021-10-21.

[40] JEOL. Jam-5200ebm Electron Beam Metal Am Machine[M]. Tokyo: JEOL Web, 2022.

[41] SJ?STR?M W, KOPTYUG A, R?NNAR L E, et al. Near-Infrared Radiation: A Promising Heating Method for Powder Bed Fusion[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2023(3): 1-9.

[42] GUO C, GE W, LIN F. Dual-Material Electron Beam Selective Melting: Hardware Development and Validation Studies[J]. Engineering, 2015, 1(1): 124-130.

[43] FU Z W, YE J H, FRANKE M, et al. A Novel Approach for Powder Bed-Based Additive Manufacturing of Compos-i--ti-onally Graded Composites[J]. Additive Manufacturing, 2022, 56: 102916.

[44] 林峰, 周斌, 閆文韜, 等. 電子束選區熔化與電子束切割復合的增材制造裝備: 中國, CN201710047601.1[P]. 2017-01-22.

LIN Feng, ZHOU Bin, YAN Wen-tao, et al. Additive Manufacturing Equipment for Electron Beam Selective Melting and Electron Beam Cutting Composite: China, CN201710047601.1[P]. 2017-01-22.

[45] 李宏新, 林峰. 用于電子束增減材技術的電子束氣化切割工藝研究[J]. 電加工與模具, 2022(5): 53-57.

LI Hong-xin, LIN Feng. The Study of Electron Beam Evaporation Cutting Process for Electron Beam Additive and Subtractive Hybrid Manufacturing[J]. Electroma-ch-in-ing & Mould, 2022(5): 53-57.

[46] QBEAM. Qbeam G350[EB/OL]. (2022)[2023-08-22]. https://www.qbeam-3d.com/page/926.

[47] 李宏新, 周斌, 林峰. 電子束與激光復合選區熔化系統的開發[J]. 電加工與模具, 2018(S1): 59-63.

LI Hong-xin, ZHOU Bin, LIN Feng. The Development of Electron Beam and Laser Hybrid Selective Melting Equip-ment[J]. Electromachining & Mould, 2018(S1): 59-63.

[48] ZHOU B, ZHOU J, LI H X, et al. A Study of the Microstructures and Mechanical Properties of Ti6Al4V Fabricated by Slm under Vacuum[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 724: 1-10.

[49] HAO M H, ZHANG L, ZHOU B, et al. Performance of Ti6Al4V Fabricated by Electron Beam and Laser Hybrid Preheating and Selective Melting Strategy[J]. China Foundry, 2021, 18: 351-359.

[50] 周斌. 電子束-激光復合選區熔化系統的開發及復合工藝研究[D]. 北京: 清華大學, 2018.

ZHOU Bin. Development of Electron Beam-Laser Hybrid Selective Melting System and Research on Process[D]. Beijing: Tsinghua University, 2018.

Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: A Review of Equipment and Process Technology Developments

JIAO Mo-han1,2,3, LONG Hong-yu4,5, LIANG Xiao-yu1,2,3, ZHOU Jun4,5, LIN Feng1,2,3*

(1. State Key Laboratory of Clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, Beijing 100084, China; 3. Bio-manufacturing and Rapid Forming Technology Key Laboratory of Beijing, Beijing 100084, China; 4. State Key Laboratory of Non-ferrous Metals and Specialty Materials Processing, Nanning 530004, China; 5. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Electron beam powder bed fusion (EB-PBF) additive manufacturing technology is very suitable for forming superalloys and refractory metals due to its advantages of high efficiency and low forming stress in the formed parts. It has a broad application prospect in the aerospace and biomedical domains. This paper presented a comprehensive overview of the research concerning EB-PBF equipment. It delved into the historical evolution of EB-PBF equipment, meticulously examined the equipment characteristics as well as the research and development progress made by major domestic and international manufacturers, and also overviewed key advancements and innovative approaches in three crucial dimensions: anti-smoking, multi-material integration, and hybrid beam manufacturing. On this basis, the new forming chamber improvement schemes such as ion neutralization, mechanical device shielding, and near-infrared preheating as well as its effect on improving the process stability were mainly introduced. The potential of new powder spreading and feeding device on materials forming was introduced, which effectively met the needs of multi-material forming and forming efficiency improvement. In addition, the multi-electron-gun simultaneous heating and forming, the electron beam-laser hybrid forming, and some other new methods were proposed and realized. Finally, the research progress in this direction was summarized and the prospect of its development and the main development direction was put forward.

additive manufacturing; electron beam powder bed fusion; electron beam melting; equipment; materials processing

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.002

TH166

A

1674-6457(2023)11-0009-12

2023-08-21

2023-08-21

國家科技重大專項（J2019-Ⅶ-0016-0156）

National Science and Technology Major Project (J2019-Ⅶ-0016-0156)

焦沫涵, 龍宏宇, 梁嘯宇, 等. 電子束粉末床熔融增材制造裝備發展綜述[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 9-20.

JIAO Mo-han, LONG Hong-yu, LIANG Xiao-yu, et al. Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: A Review of Equipment and Process Technology Developments[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 9-20.

通信作者（Corresponding author）

責任編輯：蔣紅晨