科技名词 | 什么是电子束自由成形制造？

电子束自由成形制造

electron beam freeform fabrication，EBF

定义：一种采用电子束作为热源，利用离轴金属丝建造零件的工艺。采用该增材制造工艺制造的近净成形零件需要通过减材工艺进行后续的精加工。

学科：机械工程_机械制造工艺与设备_近净成形与快速制造

相关词：电子束 电弧增材制造 激光增材制造

图片来源：视觉中国

电子束自由成形制造是一种金属增材制造方式。它结合了增材制造技术与电子束焊接技术，前者将零件模型分层切片规划路径，后者提供热源熔化金属。高能电子束在真空室中轰击金属基材或沉积层表面，动能就会转化为热能，熔化局部的金属而形成熔池，同时熔化由送丝装置送来的金属丝材形成熔滴，金属基材按照规划的路径移动，熔滴不断滴入新的熔池，冷却凝固后即得到新的沉积层，如此层层堆积直至零件最终成形。

与激光、电弧等其他类似原理的增材制造技术相比，电子束增材制造有其独特的优点。首先是效率高，电子束可以实现数十千瓦的大功率输出，达到很高的沉积速率（15kg/h），对于大型金属结构的成形有着十分明显的速度优势；其次是高真空，整个制造过程都在真空环境下进行，可以有效地防止金属氧化，十分适用于钛、铝等活泼金属的加工制造；最后是质量好，电子束因其功率更高，形成的熔池也更深，可以有效地消除层间未熔合现象，得到的金属零件的力学性能更好。

电子束增材制造也有其不足之处。例如，高真空固然有利于活泼金属的加工制造，但也必须另外搭建真空系统，造价高昂。此外，它的制造精度低（1mm），零件还需要进一步精加工，不适用于高度复杂并无法再加工的零件。

2002年，美国NASA兰利研究中心研制出了电子束自由成形制造设备，同时期的美国西亚基（Sciaky）公司也致力于大型航空金属零件的电子束制造。国内则是由中国中航625所（中航工业北京航空制造工程研究所）于2006年开始了技术研发工作，并开发了国内首款设备，制造了大量钛合金零件并成功应用于飞机结构上。大大节约了制造时间，也大幅降低了材料成本。