在過去的20年中，金屬增材製造領域出現了許多經過不斷開發改進、並經過檢驗的成熟技術。這些技術使用各種原料，例如粉末、金屬絲以及金屬棒。有些工藝將能量直接施加到材料上以製造零件，有些工藝則先製造一個預製坯，然後再進行燒結以得到具有足夠冶金性能的金屬部件。
在金屬增材製造市場上，雷射粉末床熔合（PBF-LB）佔據著顯著的，甚至近乎主導的地位。其主要優點是：以合理的高解析度生產多個零件，甚至是大型零件；工藝過程易於理解，成形穩定，結果可預測。當然，這項技術也有它的缺點和弊端。
相較之下，與PBF-LB相似的電子束粉末床熔合技術（PBF-EB）儘管在技術上受人尊敬，但在應用當中似乎不被重視。PBF-EB儘管在許多應用領域都具有前景可觀的價值潛力，但採用率（裝機量）遠遠落後。
那麼，為什麼PBF-EB在採用率方面遠遠落後於PBF-LB？在下面的文章中，將研究PBF-EB和PBF-LB的優缺點，並嘗試預測PBF-EB的發展方向。
金屬增材製造行業諮詢公司Ampower估計，到2019年底，包括PBF-LB和PBF-EB在內的金屬粉末床熔合設備的安裝數量為9,111臺。根據Wohlers報告發布的數據，在2018–2020年間，可以估計其中只有6％左右（約510臺）是PBF-EB機器。這意味著，每售出1臺PBF-EB機器，PBF-LB機器的供應商售出了16臺以上的機器。
對此的解釋可能是：PBF-LB比PBF-EB出現的更早？然而，人類在120多年前就發現了電子束，直到60年前才發明了雷射。文獻中有證據表明，使用電子束熔化金屬粉末的早期工作是由比利時魯汶的Katholieke Universiteit的一個小組在1991年完成的。而第一臺使用雷射的金屬PBF機器於1994年開始商業化，在時間上並沒有優勢。
它是如何工作的，為何與眾不同？
PBF-EB是一種利用電子束輻照金屬粉末並使其熔化的增材製造技術。首先，在基板上鋪設一薄層金屬粉末，電子束輻照整個粉末層，對粉末層進行加熱。電子束的寬範圍掃描輻照，可以將粉末加熱到需要的溫度。該溫度取決於所成形的材料，對於Ti6Al4V該溫度高達800°C左右，其他材料甚至需要更高的溫度。粉末被預熱後，電子束被電磁場偏轉，將能量輸入至粉末層，將粉末繼續加熱至熔點之上，選擇性地熔合粉末層。之後，降低成形平臺，並在成形區域中鋪設一層新的粉末。連續地逐層加熱和選擇性熔合粉末層，最終堆積形成和3D模型一致的形狀。
成形結束後，被加熱但未熔化的粉末包裹在完全熔化的零件周圍，形成一個燒結的「蛋糕」，需要在後處理步驟中去除並回收。該後處理步驟類似機械噴砂，「蛋糕」被打散成粉末。
PBF-EB機器的基本結構包括電子束槍、引導電子束掃描所需形狀的電磁線圈、內有鋪粉機構的真空室。通常，電子束的最大功率為3-6kW。電子從加熱的燈絲或晶體發出，並通過高電壓加速。電磁線圈對電子束的聚焦和定位過程，類似於光學透鏡對雷射束的聚焦和定位。在成形過程中，成形室和電子束槍始終處於真空狀態。準備所需的真空環境大約需要一個小時。成形結束後，腔室內將充滿惰性氦氣，以加快冷卻過程。在氦氣中冷卻幾個小時後，才可以打開成形室，使其安全地暴露在空氣中而不會發生粉末氧化。
雖然PBF-LB和PBF-EB都具有選擇性熔化金屬粉末層的基本功能和形式，但兩種技術之間存在系統化的差異。最顯著的差異是：PBF-LB需要機械振鏡控制雷射束的矢量式掃描。
在PBF-EB中，電子束的偏轉沒有質量，也沒有慣性，因此可以使電子束幾乎在一瞬間掃描整個成形區域，並且同時產生數十個熔池。
六大常見誤解
關於PBF-EB，存在許多被誤導或者不準確的認識。這些誤解主要是由於PBF-EB在商業上遠遠落後於PBF-LB的事實。落後的原因主要在於：PBF-EB在其發展初期是一種更為複雜的技術。結果，技術人員和操作人員發現這項技術難以掌握，儘管電子束在發明雷射之前就已經有很多用途。另一個原因可能是，金屬增材製造技術的許多潛在用戶選擇了更容易上手的PBF-LB技術，這是基於銷售統計數據的一個合理推測。
對PBF-LB的誤解某種程度上抑制了這項技術的進步和潛力，因此，有必要釐清這些誤解。
1.PBF-EB與PBF-LB相似 其唯一的共同點是粉末被高能束熔化。但是，需要認識到，其物理原理不同，成形機制有很大區別，最終的結果和性能也不同。PBF-EB是一項獨立的技術，而不是簡單的類比於PBF-LB技術。
2.PBF-EB只能列印有限的幾種材料，主要是鈦合金 PBF-EB目前主要被用來列印鈦合金，有其歷史和商業原因。但是，沒有任何因素限制PBF-EB用於與PBF-LB一樣廣泛的合金材料。如果有充分的開發平臺，PBF-EB同樣可以廣泛地使用各種合金材料。
3.PBF-EB成形件的表面光潔度比PBF-LB零件要粗糙，並且不能列印細粉 由於市售機器的配置，我們通常看到PBF-EB的成形件表面光潔度較粗糙。事實上，PBF-EB同樣可以使用更細的粉末和更薄的層厚。研究人員已經證實，通過更精準的電子束控制，採用更細的粉末和更薄的層厚，PBF-EB成形件的表面光潔度可以顯著提高。
4.PBF-EB僅適用於昂貴的專業球形粉末 與PBF-LB一樣，由於現有鋪粉技術的限制，機器要求使用球性粉末。事實上，通過改進不規則粉末的鋪粉方法，PBF-EB可以使用更便宜的不規則粉末。
5.成形後冷卻時間長，不夠經濟。 冷卻只是整個成形過程的一步。事實上，如果考慮整體的生產能力，在大多數情況下，與PBF-LB相比，PBF-EB製造速度更高，足以彌補所需的冷卻時間。
6.PBF-EB無法像PBF-LB一樣製造大型零件 我們看到，PBF-EB通常用來製造小尺寸零件。其實，擴大成形尺寸不存在技術障礙。尚未有大尺寸的PBF-EB設備面世，實際上是因為PBF-EB有更好的方式來提高產能。
PBF-EB的優勢
1、通過有限的支撐結構進行堆垛 小型零件可以進行堆垛，無需添加PBF-LB中常見的密集的支撐結構。燒結的「粉末蛋糕」發揮了部分支撐作用。
2、均勻的粉末熔化 電子束比雷射更深地穿透粉末材料，從而使粉末熔化更均勻。電子束還能夠熔化高反光率材料，並且不會導致粉末顆粒的表面過熱蒸發。
3、更寬的層厚範圍 PBF-EB具有很高的生產率，可適應較寬的層厚範圍。可以根據具體的應用要求，靈活地調整效率和表面光潔度的平衡。
4、真空環境 熔化過程是在最乾淨和最安全的高真空環境中進行的。另外，真空可以隔熱，有助於提高能源效率。
5、量產的成本優勢 比起雷射，電子束更容易、更低成本地增加功率。這使得PBF-EB在未來的超快增材製造中具有比PBF-LB更大的可擴展性，並可能在大批量應用中與傳統的製造技術競爭。
6、減少熱應力
PBF-EB是熱粉床工藝，可在整個成形過程中保持高溫，從而生產沒有殘餘應力的零件。
這消除或減少了對熱處理的需求，大大節省了熱處理時間和成本，並有助於更大的設計自由度。得益於PBF-EB的卓越的溫度場控制，脆性和易裂性合金可以成功地進行增材製造，從而將增材製造的應用範圍擴展到了任何其他工藝（包括PBF-LB）都無法製造的材料。
GE9X 的3D列印鈦鋁葉片
VBN Components AB
清粉和後處理
粉末管理和清除是所有粉末床熔合技術的關鍵環節，並且通常是成形過程和後處理的痛苦之源。另外，還有支撐結構的去除。PBF-LB和PBF-EB都面臨以上問題，值得進一步闡述。
如前所述，PBF-EB工藝允許使用有限數量的支撐結構來建造零件。零件成形結束並冷卻後，在清粉站中通過噴砂工藝去除並回收「燒結蛋糕」中的未熔化粉末。噴砂介質就是粉末材料本身。結塊的未熔化粉末可以完全重複使用。通過合適的工藝設計，噴砂清粉過程不會對部件的完整性產生不利影響，清粉效率也很高。但是，當結塊的材料位於內部流道的情況下，會面臨一定困難。
在PBF-LB工藝中清粉更容易。由於粉末沒有以任何方式粘結到零件的主體上，因此僅需要通過壓縮空氣就可以手動地去除粉末。也可以選擇具備自動清粉功能的粉末清除站，將粉末從工具難以到達的地方倒出，得到帶著支撐的、乾淨的、無粉末沾附的零件。
在熱等靜壓（HIP）後處理步驟中，PBF-EB更具優勢。如果要消除零件內部的孔隙，以使得增材製造部件滿足抗疲勞要求，HIP工藝通常是不可缺少的。PBF-EB工藝中形成的氣孔均不含氣體，可以在HIP步驟中不可逆地、永久性地封閉。在氣體流場中進行成形的技術則相反：孔隙會不可避免地捕獲氣體，氣孔難以通過HIP收縮。更麻煩的是，如果零件暴露在高溫下，氣孔可能會膨脹回原來的尺寸。
零件成本
歸根結底，用戶希望能夠以較低的成本生產零件。那麼哪種技術提供了更好的選擇呢？回答這個問題要謹慎，因為這取決於所討論零件的幾何形狀。零件的大小和數量可以極大地影響經濟性。機器的成形尺寸越大，一次可以製造的零件數量就越多。
有充分的證據表明，由PBF-EB生產的鈦合金零件比PBF-LB生產的要便宜。因為PBF-EB目前被大量用於生產鈦合金零件，因此可以進行充分的成本比較。
在進行比較時，我們測算總成本，包括前處理成本和後處理成本。Ampower進行了一項獨立研究，並將結果發布在GE Additive白皮書中。其結論是，PBF-EB工藝的製造成本「便宜50%」。
對PBF-EB的成本優勢進行分析，主要體現在以下方面：
1、由於簡化了支撐結構，PBF-EB更加容易實現3D堆垛。
2、粉末成本：PBF-EB的粉末價格更便宜（如鈦合金）。
3、熱處理成本更低，甚至不需要進行熱處理。
4、與PBF-LB相比，去除支撐更簡單。
基於對市場上金屬增材製造機器的廣泛了解和分析，Ampower還發布了一個在線成本計算工具，可以估算所有先進的金屬增材製造工藝的製造成本。利用該工具測算各種尺寸和數量的鈦合金零件的製造成本，結果都指向PBF-EB更經濟。
也就是說，對於各種鈦合金零件，PBF-EB總是比PBF-LB更便宜。即使節省的費用可能少於所聲稱的50％，但在製造業中哪怕節省10％的成本都很重要。未來，隨著電子束功率的提高、成形尺寸的增加、材料研究的不斷進展，PBF-EB的成本優勢只會增加。
PBF-EB的未來在哪裡？
與其他增材製造工藝相比，PBF-EB目前的腳步更慢。但是，增材製造的廣泛工業化應用是一場馬拉松，遠未結束。首先，將不會有單一的制勝技術，因為增材製造技術的應用場景千差萬別。近年來，人們對電子束的興趣激增，並考慮電子束是否可以在某些應用場合替代一直處於主導地位的雷射。我們可以預期PBF-EB會出現許多積極的進展。
越來越多的參與者正在加入並幫助PBF-EB進入其下一階段的開發。業界對電子束的興趣日益增長，不僅考慮該技術帶來的更好的冶金性能，最重要的是，考慮是否能夠比基於雷射的工藝更加經濟實惠。
PBF-EB技術在過去五年的進展，超過之前二十年的積累和發展。一項技術的發展在許多情況下往往就是這樣，並不總是線性發展。
無論我們選擇以哪種方式看待和描述PBF-EB的最新發展，毫無疑問，這是增材製造領域的一個有趣時期。我們將懷著熱切的期待繼續觀看馬拉松的下一階段，這個行業還有很長的路要走。
作者：Joseph Kowen，行業分析師和顧問，自1999年以來一直從事快速原型設計和增材製造，增材製造諮詢公司Intelligent AM負責人。