电子束3D打印，熔池如何影响材料的性能和表面质量

熔池是金属的液态。在电子束粉末床熔融工艺中，当电子束的能量击中金属粉末的表面，电子的能量转化为热量。这种产生的热量融化了靠近光束位置的金属颗粒，随后将金属变成液体熔池。当光束从熔池中移开时，液体再次凝固成固体金属，这样粉末颗粒就熔合在了一起。在增材制造中，粉末床上的熔池(以及随后的熔合)面积非常小，通常深度小于0.5mm，面积小于1mm²。当电子束在粉末床上移动时，熔池也以同样的速度移动。当电子束移动时，可以实现点、线、面的熔，电子束通常以1米/秒或更高的速度移动。熔池尺寸不会因打印而有很大的变化，但根据不同的设置，可以在不同的材料和不同的工艺设置中获得不同的熔池尺寸（如改变层厚度）。

工程师通常希望根据需要的最终零件性能来优化熔池的大小。如果对熔池控制不好，优化的过程可能会失败。如果熔池太小，如小于粉末颗粒，那么一次只能熔化一个粉末颗粒，粉末颗粒之间甚至不能彼此熔合在一起，便无法得到致密的零件，这会导致零件内产生孔隙和不完全熔化的区域增加，从而导致较差的机械性能。如果熔池太大，会导致表面质量不好，或者零件微观结构不佳。当熔池非常大时，会产生液体波，当该区域冷却时，会产生波浪状的表面。此外，如果熔池太大，熔化的粉末太多，在零件下表面将非常糟糕。电子束3D打印工艺的优化要兼顾零件性能、表面质量以及系统的生产效率。

EBM制造的汽车零件展示典型的支撑结构

冷却速度非常重要。当光束击中熔池时，熔池处于液态，当光束离开时，液体冷却并凝固成为固体金属。熔池的大小、形状和凝固是由能量束的能量分布和用于熔化零件的扫描路径控制的。通过优化光束参数和扫描路径，可以获得致密的材料。如果熔体冷却得太快，那么液体就没有足够的时间来填充所有的空间，从而导致裂缝、易碎的材料或错误的微观结构——例如，不希望的枝晶微观结构。如果熔池太大，它将需要很长时间来冷却，微观结构将变得太粗大。越快的冷却会得到越精细的微观结构，所以需要优化冷却速度来得到想要的微观结构。

电子束一次熔化多个区域的纯铜粉末

电子束3D打印的铜结构

对于不同的材料来说这是不同的，因为有些材料对如何冷却熔体非常敏感，而其他材料则不然，通过改变熔体的冷却来实现不同的微观结构对于某些应用来说是有益的，因为每种类型的微观结构给零件带来了不同的机械性能。

EBM技术的熔池与其他增材技术有所不同。尽管原理相似，但基本的物理原理是不同的。这是因为电子被用作能量源——它们几乎可被任何材料吸收，可以与通常反射光的材料一起使用（与其他工艺不同），并且电子被吸收的深度比其他3D打印工艺略深。

EBM唯一不适用的是打印非导电材料。所以，物理原理是不同的。在EBM中可以将熔池控制在比其他方法更高的温度，这有利于设计用于高温应用的材料，如飞机发动机叶片。对于Ti64来说，因为可以在更高的温度下控制熔池，所以不会因为快速冷却而在零件中产生热应力——但这更多地是基于整体构建温度，而不是熔池本身。此外，熔池会影响零件的微观结构以及零件中孔隙和裂纹的水平。由于整体构建温度较高，EBM中的熔池冷却速度比其他3D打印技术慢一些，而且通常会获得稍微粗大的晶粒结构——这对某些应用有利，但有时却也不利。跟其他增材制造工艺一样，EBM技术的熔池应根据应用进行定制。

对于像TiAl这样的高温材料，熔池的控制并不是唯一需要优化的部分。在整个构建过程中保持高且均匀的温度是非常重要的。否则，熔池的冷却速率和随后形成的显微组织可能在整个零件中不同。这可能导致不均匀材料特性。对于TiAl合金，必须考虑的另一个方面是，熔池会影响构建的性能，合金中的铝达到了沸点，从而减少了零件中的铝含量。这会影响零件的材料性能，但这可以通过从一开始就在合金中添加更多的铝来防止。

EBM 3D打印的TiAl合金叶片

EBM使用磁线圈来控制光束轨迹，光束可以在任意方向上偏转，并在粉末床的不同区域进行跳跃。因此，可以使用EBM创建许多不同的“熔池策略”。例如，可以用图案填充来熔化零件的内部区域，可以用线熔化策略熔化轮廓。

每一种策略都集中在控制熔化上。如果在一个特定的方向熔化，也在那个方向移动熔池(并且在一个特定的方向凝固)；如果你在一条线上熔化，可以在一个方向上有一个拉长的熔体池，或者也可以有一系列较小的“点”熔化。