超越激光！金属3D打印电子束路线取得突破
3D打印技术，是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力。2024中关村国际技术交易大会上，清华大学科技成果转化企业清研智束发布了一款电子束3D打印新产品，其技术与这一领域当前主流技术路线截然不同。
2024中关村国际技术交易大会上。
电子束与激光
3D打印技术又称增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，逐点逐层累积叠加形成三维实体的新技术。由于它对传统的工业流程、生产线、生产模式、产业链组合产生深刻影响，已成为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力之一。
3D打印又分为金属3D打印与非金属打印。其中，金属3D打印多以铁、钛、镍、钢等金属粉末为原材料，具备定制化、低损耗、精密制造等优势，广泛应用于航空航天、军工、医疗器械等对产品性能要求苛刻的制造领域。相比非金属3D打印，金属3D打印的价值量更大、技术壁垒更高、未来应用空间更大。
有研报称，金属3D打印的几种技术路线中，激光选区熔化（SLM）是当前的主流方案。其产品性价比相对占优，技术难度也相对适中。
清华大学机械工程系长聘教授林峰说，在航空航天领域，随着飞行参数不断提高，对高温金属的增材制造需求越来越高。超燃冲压发动机进气道、燃气轮机涡轮叶片、固体火箭发动机喉衬、高超飞行器端头等零部件的工作温度都超过1000℃。高温金属材料难以精确成形，使用激光打印极易开裂，但如果使用电子束选区熔化（EBSM）技术，开裂问题能够解决。
这项技术是以高能电子束为热源，基于粉末床、CAD（计算机辅助设计）直接驱动的近净成形金属增材制造工艺。由于其能量转换率和吸收率更高、内应力小，成型效果更好。他说，“原来会开裂的材料，现在可以不开裂；原来需要设计很强支撑的结构，现在可以不支撑。”
多枪阵列技术突破
相比激光，金属3D打印的电子束路线整体性能更优越。但由于电子束需要真空环境，这一技术路线研发难度更大，一段时间以来发展也相对滞后。
在这条路线上，清华大学和清研智束团队已潜心摸索、艰苦攻关20年。2004年，团队成员在清华大学成功研发电子束选区熔化技术；2015年，清研智束注册成立；2017年，自主开发第一代商业化设备；2021，推出Qbeam系列产品；2023年，发布多枪阵列设备。
多枪阵列设备。
清华大学博士、北京清研智束科技有限公司研发总监赵德陈说，技术团队发现，市场现存电子束增材设备，成形尺寸有限，是限制其在航空航天领域生产应用的关键。“当前国内外主流的商业化电子束增材制造设备，成形尺寸都不超过400毫米；而现实情况是，很多航空航天钛合金零部件尺寸超过500毫米。”
为实现大尺寸钛合金零部件批产解决方案，技术团队选择多枪阵列技术。自2018年起，积累了解决多枪干扰、多电子束拼接校准等关键技术20余项，成功研发Qbeam S600新产品。产品满足航天航空对大尺寸、结构复杂构件的高效率、低成本批量化制造需求。打印尺寸扩大到600×600×700毫米，钛合金极限沉积效率提高至每小时400立方厘米以上。
相比激光设备，这款电子束设备具有显著批产经济型。以某医疗应用典型零件为例，其单件成本降低47%，设备产出提高至200%。
技术领先。
“据我所知，清研智束是全球唯一一家开展多枪阵列研究并产业化的设备制造商。”赵德陈说。
他表示，清研智束已经掌握电子束3D打印多枪阵列全套核心技术，多款更大尺寸设备处于在研和已完成项目验收阶段。多枪阵列技术，或将开启电子束增材制造的新篇章。