1.7.1 电子束熔化
1994年瑞典ARCAM公司申请的一份专利，所开发的技术称为电子束熔化成型（electron beam melting，EBM）技术。ARCAM公司是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司，并于2003年推出第一代设备，此后美国麻省理工学院、美国航空航天局、我国北京航空制造工程研究所和清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统。
美国麻省理工学院开发的电子束实体自由成型（electron beam solid freeform fabrication，EBSFF）技术采用送丝方式供给成型材料，利用电子束熔化金属丝材，电子束固定不动，金属丝材通过送丝装置和工作台移动，与激光近形制造技术类似，如图1-18所示。电子束熔丝沉积快速制造时，影响因素较多，如电子束流、加速电压、聚焦电流、偏摆扫描、工作距离、工件运动速度、送丝速度、送丝方位、送丝角度、丝端距工件的高度、丝材伸出长度等。这些因素共同作用影响熔积体截面几何参量，准确区分单一因素的作用十分困难。瑞典ARCAM公司与清华大学开发的电子束选区熔化（electron beam selective melting，EBSM）是利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与激光选区熔化技术类似，利用电子束实时偏转实现熔化成型。该技术不需要二维运动部件，可以实现金属粉末的快速扫描成型，如图1-18所示。
图1-18 电子束选区熔化装置
（1）电子束选区熔化的原理
类似激光选区烧结和激光选区熔化工艺，电子束选区熔化（EBSM）技术是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成型的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为：首先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成型的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品。上位机的实时扫描信号经数/模转换及功率放大后传递给偏转线圈，电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转，达到选择性熔化。经过研究发现，对于一些工艺参数，如电子束电流、聚焦电流、作用时间、粉末厚度、加速电压、扫描方式，进行正交实验，作用时间对成型影响最大。
（2）电子束选区熔化的优势
电子束直接金属成型技术采用高能电子束作为加工热源，扫描成型可通过操纵磁偏转线圈进行，没有机械惯性，且电子束具有的真空环境还可避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。
电子束与激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、稳定及运行维护成本低等优点。EBSM技术优点是成型过程效率高，零件变形小，成型过程不需要金属支撑，微观组织更致密等。
电子束的偏转、聚焦控制更加快速、灵敏。激光的偏转需要使用振镜，在激光进行高速扫描时振镜的转速很高。在激光功率较大时，振镜需要更复杂的冷却系统，而振镜的重量也显著增加。因而在使用较大功率扫描时，激光的扫描速度将受到限制。在扫描较大成型范围时，激光的焦距也很难快速地改变。电子束的偏转和聚焦利用磁场完成，可以通过改变电信号的强度和方向快速灵敏地控制电子束的偏转量和聚焦长度。
电子束偏转、聚焦系统不会被金属蒸镀干扰。用激光和电子束熔化金属时，金属蒸气会弥散在整个成型空间，并在接触的任何物体表面镀上金属薄膜。电子束偏转、聚焦都是在磁场中完成的，因而不会受到金属蒸镀的影响；激光器振镜等光学器件则容易受到蒸镀污染。
（3）电子束选区熔化的主要问题
① 真空系统易受污染。在真空室抽气过程中粉末容易被气流带走，造成真空系统的污染。但其存在一个比较特殊的问题——粉末溃散现象，其原因是电子束具有较大动能，当高速轰击金属原子使之加热升温时，电子的部分动能直接转化为粉末微粒的动能。当粉末流动性较好时，粉末颗粒会被电子束推开形成溃散现象。防止粉末溃散的基本原则是提高粉床的稳定性，克服电子束的推力，主要有四项措施：降低粉末的流动性、对粉末进行预热、对成型底板进行预热、优化电子束扫描方式。因此，粉末材料一直很难成为真空电子束设备的加工对象，工艺参数方面的研究更是鲜有报道。针对粉末在电子束作用下容易溃散的现象，提出不同粉末体系所能承受的电子束域值电流（溃散电流）和电子束扫描域值速度（溃散速度）判据，并在此基础上研究出混合粉末。
② 结构复杂，生产率较低。EBSM技术成型室中必须为高真空，才能保证设备正常工作，这使EBSM技术整机复杂度提高。还因在真空度下粉末容易扬起而造成系统污染。此外，EBSM技术需要将系统预热到800℃以上，使粉末在成型室内预先烧结固化在一起，高预热温度对系统的整体结构提出非常高的要求，加工结束后零件需要在真空成型室中冷却相当长一段时间，降低了零件的生产效率。
③ 对精密微细件制造有难度。电子束无法比较难像激光束一样聚焦出细微的光斑，成型件难以达到较高的尺寸精度。对于精密或有细微结构的功能件，EBSM技术是难以直接制造出来的。
④ 电子束偏转误差。EBSM系统采用磁偏转线圈产生磁场，使电子偏转。由于偏转的非线性以及磁场的非均匀性，电子束在大范围扫描时会出现枕形失真。
⑤ 大偏角时的散焦。EBSM系统采用聚焦线圈使电子束聚焦。若聚焦线圈中的电流恒定，电子束的聚焦面为球面，而电子束在平面上扫描。因此，电子束在不偏转时聚焦，而在大角度偏转时出现散焦。