粉末床电子束熔融（EB-PBF）成型技术于20世纪90年代中期被瑞典Arcam公司研发问世，2003年，Arcam公司推出第一代粉末床电子束熔融成型3D打印设备，电子束熔融成型进入商业化发展阶段。全球范围内，电子束熔化成型技术研究机构还有美国麻省理工学院、清华大学等。[1] 根据清华大学林峰老师在2022年TCT科技讲台中的分享，国内的电子束增材制造技术已经实现了成型尺寸和设备稳定性方面的关键突破，大尺寸EB-PBF设备方面已经居于世界领先地位，并实现了高强铝合金、钛铝合金、难加工高温合金等合金的成型。技术上呈现出多束源复合、高压电子束等技术创新发展趋势。
粉末床电子束熔化技术作为一种典型的金属增材制造技术，在航空与医疗植入物领域得到了应用，在产业化上得到了快速发展。例如，在国际上意大利Avio公司利用该技术生产3D打印飞机发动机涡轮叶片；GH Induction通过该技术制造3D打印纯铜感应线圈。在医疗植入物制造领域，全球多家骨科医疗器械制造商通过EB-PBF技术开发了3D打印植入物，并获得了上市审批，例如全球首个3D打印髋臼杯-Delta-TT；中国骨科企业中诺恒康开发的3D打印椎间融合器等。
近日，中诺恒康结合EB-PBF 3D打印技术原理以及通过该技术开展的骨科植入产业化应用实践，剖析了这一3D打印技术在植入物领域的应用。本期，3D科学谷将进行分享。
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工作原理
粉末床电子束熔融（EB-PBF）是增材制造-3D打印技术的一种，是按照设计好的三维模型，基于层叠制造原理，在设备工作舱内利用高能电子束产生的高密度能量使金属粉末熔融并相互融合，冷却后凝固形成特定形状的快速成型技术。尤其适用于对光能具有较高反射作用的金属沉积成形。如在室温下，Ti-6Al-4V 材料对激光反射较为严重，采用激光烧结工艺，能量利用率很低，而此材料对电子束的反射率只有10％左右，具有较高的能量利用率。这种技术可以应用在生物医学、汽车交通、航空航天等领域。
在粉末床电子束熔融设备中，增材制造过程是在真空中进行的，以防止光束散射，其中构建室温度可以加热到1000℃，它使用电磁光束控制，能够以更高的速度移动，甚至可以拆分以同时覆盖多个区域，光束可以在开始实际熔化过程之前“预热”每一层。理论上，在打印过程中，零件周围的粉末半熔融的“结块”状态能消除对支撑结构的需求。然而，由于高变形应力，仍然需要一些支撑来从熔融材料中散热或将部件连接到构建平台。
在增材制造过程中，单独的零件可以被“堆叠”在彼此的顶部，各零件具备各自支撑，实现打印效率的大幅度提升。这种零件堆叠与自支撑的方式，将减少设备停机时间和后处理的减少，从而提高生产力。
北京中诺恒康生物科技有限公司采用粉末床电子束熔融3D打印设备生产的椎间融合器，就采用了以上堆叠方式，单次打印可实现800-1000件。
中诺恒康3D打印融合器
粉末床电子束熔融工艺的特点
每种制造技术都具有其特有的优势，也对应存在着不足，了解这些特点有助于在应用时充分发掘技术的潜能。以下列出了粉末床电子束熔融工艺的部分特点。
优点
-PBF-EBM设备的真空环境消除了产生杂质（例如氧化物和氮化物）的可能性，并且真空熔化的质量确保了材料的高强度。
-PBF-EBM是热粉床工艺，可在整个成形过程中保持高温，具有小温差与低残余应力，消除或减少了对3D打印零件热处理的需求，从而节省热处理时间和成本，并有助于更大的设计自由度，适于复杂零件的量产。
-得益于PBF-EBM工艺的温度场控制，脆性和易裂性合金可以成功地进行增材制造。
缺点
-在EB-PBF过程中，粉末将被预热，粉末将呈现假烧结状态，这不利于小孔和间隙结构的增材制造。例如，在制造1毫米的孔结构时，容易被粉末堵塞。
-EB-PBF设备需要真空系统，具有更高的资金投入和维护。电子束技术的操作会产生X射线（解决方案：设备真空室的合理设计可以进行屏蔽）。
在医疗领域的应用
随着金属3D打印进入医疗领域，为临床治疗带来了新思路，新方法。通过面向增材制造的设计以及3D打印工艺研发生产的植入物，具有更好应用恢复效果，并为骨科医疗器械企业设计开发更加复杂的植入物，提供了新方式。粉末床电子束熔融3D打印技术使得医疗器械的设计上具备了更大的自由度，可根据临床需求完成不同要求，不同结构的设计。
目前应用这一3D打印技术制造的植入物主要分布在关节、脊柱、口腔、神经外科。
l 关节产品应用
如髋臼杯、垫块（髋、膝）、骨盆假体（主要指肿瘤类假体），定制个体化假体。3D打印在应对特殊类关节假体，骨盆肿瘤假体方面具有凸出优势，满足个性化定制和精准匹配。3D打印金属假体的应用使得骨科临床治疗取得新的突破，达到了骨长入、骨整合的终极目标，从而骨科植入物实现了真正的生物固定。
3D打印髋臼杯、垫块及定制产品
定制个体化骨盆假体
l 脊柱外科产品应用
如椎间融合器、人工椎体、定制个体化假体（肿瘤类假体）。3D打印技术在脊柱融合领域的应用使得原本钛笼，钉棒，peek起到支撑固定的融合方式，转变到椎体骨长入、骨整合的融合方式，大大提高融合效率，降低沉降率，从而达到椎体融合的目的。同时其独特的3D设计及生产方式，能满足复杂结构多孔设计。例如，4WEB Medical 制造了一系列脊柱桁架植入物，这些植入物基于多种设计集成并根据机械生物学原理开展工作：细胞和组织的机械特性有助于发育、细胞分化、增殖和愈合。同时金属3D打印假体在肿瘤截骨治疗方面对于边界截骨、不规则截骨、最大限度保留骨量提供了精准的方案和假体。
椎间融合器、人工椎体
无植骨窗3D打印融合器
定制人工椎体
定制人工椎体（肿瘤）
l 口腔种植及颌面外科产品应用
如种植导板及种植体、颌面修复体等。3D打印制造个性化根形种植体可以促进种植体与牙槽骨之间形成稳固的骨结合，且更好地模拟天然牙的应力分布，提高初期稳定性。同时3D打印个性化骨移植物、个性化钛网和骨重建导板等方式增加骨量，使种植区骨量不足者种植手术成功率大大提高。对于由先天性疾病、外伤、肿瘤等因素造成的颌面部软硬组织缺损是颌面外科常见病，颌骨结构、毗邻关系复杂，修复难度高。而金属3D打印技术可以直接打印骨缺损植入物用于缺损的重建，有效解决了自体骨移植的取骨量有限、第二术区创伤等问题。
3D打印颌骨
l 神经外科产品应用
如颅骨缺损重建。颅骨缺损不仅影响个人美观与安全，而且常出现颅骨缺损综合征，因此颅骨修补术为神经外科的常见术式。目前应用3D打印技术重建颅骨修补材料在临床上已经反映出良好的治疗效果，3D打印较传统钛网修补材料具有精准度更高、组织相容性更好的特点。
电子束熔融3D打印颅骨植入物
l 电子束熔融技术的未来
电子束熔融增材制造-3D打印技术以其高能量利用率，高效率，更高粗糙表面深受临床骨科青睐。随着国家政策扶持及医疗技术发展对假体需求的增加，电子束熔融技术将极大促进骨科植入物的应用及革新。虽然这一技术存在一定的不足，但并不妨碍其商业化，产业化应用，在技术上和应用上的创新将会进一步推进电子束熔融增材制造-3D打印技术的发展和应用。
参考资料：
[1] 新思界.《2021-2025年中国电子束熔化成型（EBM）市场可行性研究报告》。
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