Aditivní výroba EBM

Přehled aditivní výroby EBM

Tavení elektronovým svazkem (EBM) je typ aditivní výroby s tavením práškového lože, která využívá elektronový svazek k selektivnímu tavení a spojování kovových částic prášku po vrstvách za účelem vytvoření složitých 3D dílů.

Mezi hlavní charakteristiky procesu EBM patří:

• Vytváří plně husté díly z kovových práškových surovin
• Jako zdroj energie používá elektronový paprsek.
• Pracuje ve vakuu a při vysokých teplotách
• Dosahuje vynikajících mechanických vlastností
• Ideální pro reaktivní kovy, jako je titan a tantal.
• Umožňuje vytvářet složité geometrie, které nejsou možné při obrábění.
• K dosažení konečné povrchové úpravy dílu může být nutné následné zpracování.

EBM přináší výhody v podobě svobody konstrukce, konsolidace dílů, snížení hmotnosti a zlepšení výkonu v leteckém, lékařském, zubním, automobilovém a průmyslovém průmyslu.

Jak Aditivní výroba EBM funguje

Proces aditivní výroby EBM funguje následovně:

1. 3D model CAD je rozřezán na tenké vrstvy průřezu.
2. Kovový prášek je rovnoměrně rozprostřen na konstrukční desce ve vakuové komoře.
3. Elektronový paprsek selektivně skenuje a taví prášek na základě dat z řezu.
4. Konstrukční deska klesne dolů a na ni se nanese další vrstva prášku.
5. Kroky 3-4 opakujte, dokud není díl kompletní.
6. Přebytečný prášek se odstraní a díl se tepelně zpracuje.
7. V případě potřeby lze provést následné zpracování, jako je obrábění nebo vrtání.

Stroj EBM přesně řídí elektronový paprsek pomocí elektromagnetických čoček a vychylovacích cívek. Proces probíhá ve vysokém vakuu, které umožňuje velmi vysoké teploty tavení.

Typy systémů aditivní výroby EBM

Existují dva hlavní typy strojů EBM:

Arcam EBM a GE Additive jsou hlavní výrobci systémů EBM, kteří nabízejí malé i velké stroje.

Materiály pro aditivní výrobu EBM

Technologií EBM lze zpracovávat celou řadu kovů:

• Slitiny titanu: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
• Slitiny niklu: Inconel 718, Inconel 625
• Kobalt-chromové slitiny: CoCrMo
• Ocel: Nerezové oceli, nástrojové oceli, maraging ocel
• Žáruvzdorné kovy: Tantal, wolfram
• Drahé kovy: Stříbro, zlato, platina
• Slitiny hliníku: AlSi10Mg

Titan je pro EBM obzvláště vhodný díky své reaktivitě. Tímto procesem však lze vyrábět i vysoce pevné a korozivzdorné díly z jiných moderních slitin.

Aplikace aditivní výroby EBM

Mezi hlavní aplikace patří:

Aerospace: Lopatky turbín, součásti motorů, draky letadel a konstrukční díly.

Lékařské implantáty: Ortopedické implantáty, fixační zařízení, chirurgické nástroje

Automobilový průmysl: Kola turbodmychadel, tělesa ventilů, díly palivového systému

Průmyslový: Výměníky tepla, tlakové nádoby, skříně čerpadel, přípravky a přípravky pro montáž.

Ropa a plyn: Vrtné nářadí, tělesa ventilů, rozdělovače

Obrana: Součásti satelitů a bezpilotních letounů, pancéřování

EBM umožňuje vyrábět lehčí, pevnější a výkonnější komponenty s optimalizovanými konstrukcemi v těchto odvětvích.

Výhody Aditivní výroba EBM

Mezi výhody technologie EBM patří:

• Nízká pórovitost - Hustota blížící se 100% vede k vynikajícím mechanickým vlastnostem.
• Vysoká pevnost - Slitiny titanu se vyrovnají vlastnostem tepaných materiálů, a dokonce je i překonávají.
• Svoboda designu - Lze vyrábět složité geometrie
• Rychlé prototypování - Urychluje vývojové cykly produktů
• Konsolidace části - Snížení počtu sestav díky integraci více komponent.
• Snížení hmotnosti - Lehčí komponenty umožňují úsporu paliva v automobilovém a leteckém průmyslu
• Výroba Just-in-time - Zkrácení dlouhých dodacích lhůt odlitků a výkovků
• Výrobky na míru - Zdravotnické prostředky pro pacienty a personalizované spotřební zboží
• Udržitelná výroba - Snížení množství odpadu ve srovnání se subtraktivními metodami

Tyto přínosy jsou hnací silou zavádění EBM v různých průmyslových odvětvích s cílem zlepšit výkonnost, snížit náklady a umožnit inovace nových produktů.

Omezení aditivní výroby EBM

EBM má určitá omezení:

• Vysoké náklady na vybavení - Stroje EBM mají vysoké počáteční kapitálové náklady v rozmezí $500 000-$1,5 milionu.
• Omezení velikosti dílů - Obálky sestavení omezují maximální rozměry dílů
• Rozměrová přesnost - Pro dosažení přísných tolerancí je často nutné následné zpracování.
• Povrchová úprava - Schodišťový efekt vede k drsným povrchům, které vyžadují povrchovou úpravu.
• Rychlost výstavby - Pomalejší než procesy fúze v práškovém loži pomocí laserových nebo elektronových paprsků.
• Reaktivní kovy - Omezeno na inertní kovy nebo kovy jako titan a tantal.
• Odstranění prášku - Nepoužitý kovový prášek musí být odstraněn a recyklován.
• Tepelné namáhání - Může způsobit deformace a praskání dílů

Pokračující vývoj technologie EBM má za cíl zvýšit rychlost, kvalitu, flexibilitu materiálu a nákladovou efektivitu.

Zásady návrhu pro aditivní výrobu EBM

Pro úspěšné využití technologie EBM je zásadní dodržovat pokyny pro navrhování:

• Minimalizace převisů a nepodporovaných geometrií
• Obsahují malé otvory (1-2 mm) pro odstranění přebytečného prášku.
• Využití příhradových konstrukcí ke snížení hmotnosti
• Udržujte tloušťku stěny nad 1 mm
• Zahrňte úhly ≥ 30°, abyste se vyhnuli koncentraci napětí.
• Zohlednění lineárního škálovacího faktoru 0,2%
• Tolerance 0,2 mm u jemných detailů
• Konstrukční vnitřní kanálky ≥ 2 mm pro průchodnost prášku
• Minimalizujte místa, kde se hromadí zachycený prášek.
• Umístění dílu na desku tak, aby se minimalizovala plocha průřezu.

Simulační nástroje pomáhají posoudit výkonnost návrhu již v rané fázi procesu návrhu. Návrhy lze optimalizovat podle možností AM.

Parametry procesu pro EBM

Mezi kritické parametry procesu EBM patří:

• Výkon paprsku - Ovlivňuje rychlost výstavby, pórovitost a mikrostrukturu
• Rychlost paprsku - Vyšší rychlosti zvyšují rychlost výstavby, ale mohou ohrozit hustotu.
• Zaměření paprsku - Fúze řízení ostření a výchylky
• Strategie skenování - Střídání směru rastru mezi vrstvami snižuje zbytková napětí.
• Tloušťka vrstvy - Jemnější vrstvy zlepšují rozlišení, ale snižují rychlost sestavování
• Teplota sestavení - Vyšší teploty snižují zbytková napětí, ale snižují přesnost.
• Velikost bazénu taveniny - Ovlivňuje místní mikrostrukturu a vlastnosti
• Vstupní suroviny - Rozložení velikosti a morfologie prášku ovlivňuje hustotu a kvalitu povrchu

Řízení těchto parametrů umožňuje nastavit vlastnosti a kvalitu pro konkrétní aplikace.

Následné zpracování dílů EBM

Mezi běžné kroky následného zpracování dílů EBM patří:

• Odstranění prášku - Tryskání kuliček pro odstranění přebytečného prachu z vnitřních dutin
• Odstraňování stresu - Izostatické lisování za tepla může pomoci snížit zbytková napětí
• Vypnutí - Drátové elektroerozivní obrábění pro odstranění dílů z konstrukční desky
• Obrábění - CNC frézování, soustružení, vrtání pro dosažení rozměrové přesnosti a povrchové úpravy
• Leštění - Pro lesklou povrchovou úpravu vizuálních dílů, jako jsou šperky a lékařské implantáty.
• Nátěry - nanášení nátěrů odolných proti opotřebení, s nízkým třením nebo estetických nátěrů.
• Testování kvality - Měření mechanických vlastností, vnitřních defektů, mikrostruktury

Minimalizace následného zpracování snižuje celkové náklady na díl. Kritické aplikace však mohou vyžadovat rozsáhlé dokončovací práce, aby splňovaly specifikace.

Kontrola kvality pro EBM

Přísné postupy kontroly kvality výroby EBM zahrnují:

• Kontrola surovin - sítová analýza, testování průtoku a mikroskopování prášku suroviny.
• Monitorování během procesu - velikost bazénu taveniny, teplota práškového lože, úroveň vakua.
• Rozměrové kontroly - souřadnicová měřicí souprava a další metrologické kontroly kritických rozměrů
• Mechanické zkoušky - tah, tlak, mikrotvrdost, lomová houževnatost, únava
• Nedestruktivní hodnocení - rentgenová počítačová tomografie ke kontrole vnitřních vad
• Metalografie - mikrostrukturní charakterizace pomocí optické a elektronové mikroskopie
• Analýza hustoty - Archimédova metoda nebo heliová pyknometrie k ověření hustoty ≥ 99,5%
• Měření drsnosti povrchu - Optická profilometrie pro kvantifikaci textury povrchu
• Chemická analýza - ICP a hmotnostní spektroskopie k ověření složení
• Validační sestavy - testovací sestavy pro ověření procesních parametrů nových dílů.

Toto komplexní testování ověřuje kvalitu výrobků EBM pro přísné průmyslové aplikace.

Modelování nákladů pro Aditivní výroba EBM

Celkové náklady závisí na:

• Náklady na stroj - Vysoké kapitálové investice do vybavení
• Náklady na materiál - Náklady na práškovou surovinu/kg
• Provozní náklady - Práce, energie, údržba, inertní plyn
• Následné zpracování - Další obrábění a dokončovací práce
• Rychlost budování - Rychlejší stavba snižuje náklady
• Míra využití - Vyšší využití stroje rozkládá náklady na více dílů.
• Poměr nákupů a letů - Nespotřebovaný prášek se musí recyklovat, což zvyšuje náklady.
• Geometrie části - Kompaktní díly maximalizují využití stavebního objemu
• Objem sestavy - Větší stroje umožňují vyšší výkon
• Úspory z rozsahu - Velkoobjemová výroba snižuje náklady na jeden díl

Náklady výrazně klesají s rostoucím objemem výroby a přebytečný prášek lze znovu použít.

Výběr dodavatele aditivní výroby EBM

Kritéria pro výběr poskytovatele služeb EBM:

• Osvědčené instalace systémů a reference zákazníků
• Rozmanité certifikované zkušenosti s aplikacemi v letectví, zdravotnictví a průmyslu
• Řada kvalifikovaných materiálů jako titan, inconel, kobalt-chrom
• Certifikace systému řízení kvality - ISO 9001, AS9100
• Přísné postupy kontroly kvality
• Zásoby standardních a speciálních prášků
• Sekundární obrábění a dokončovací práce ve vlastní režii
• Podpora návrhu a služby simulace konstrukce
• Profesionální inženýři s odbornými znalostmi v oblasti metalurgie
• Velké stavební obálky pro vysokou propustnost
• Transparentně sdělená konkurenční cenová struktura
• Schopnost řídit ITAR a další regulované projekty
• Nachází se v blízkosti, což umožňuje osobní schůzky a spolupráci.

Zavedení poskytovatelé služeb s historií v regulovaných odvětvích obvykle nejlépe splňují přísná očekávání kvality.

Výhody a nevýhody EBM oproti jiným metodám AM

Výhody EBM:

• Plně hutné kovové díly, které se vyrovnají kovaným vlastnostem
• Dobrá povrchová úprava povrchů směřujících vzhůru
• Vysoká rychlost vytváření v porovnání s laserovými procesy
• Nízké zbytkové napětí ve srovnání s laserovou fúzí v práškovém loži
• Vynikající mechanické vlastnosti hotových dílů
• Řízení bazénu taveniny umožňuje zjemnění mikrostruktury
• Inertní stavební podmínky ideální pro reaktivní kovy, jako je titan.
• Nákladově efektivní pro střední až velké objemy výroby

Nevýhody EBM:

• Vyšší náklady na zařízení než u polymerních systémů
• Omezené možnosti materiálů ve srovnání s laserovými PBF
• Řízený proces vyžadující vyškolenou obsluhu
• Často je vyžadováno rozsáhlé následné zpracování
• Spotřebovává velké množství elektrické energie
• Maximální velikost dílu omezená obálkou sestavení
• Manipulace s reaktivními kovovými prášky a jejich recyklace
• nižší přesnost profilu než u obráběných nebo kovaných dílů

Pro středně velkou až velkosériovou výrobu kovových dílů vyniká společnost EBM vysokou pevností a kvalitou při rozumných nákladech. Zvládnutí tohoto procesu však vyžaduje zkušenosti.

Srovnání EBM vs. DMLS a SLM

EBM vs. DMLS:

EBM vs. SLM:

FAQ

Jaké materiály lze zpracovávat pomocí technologie EBM?

Nejběžnějšími materiály EBM jsou slitiny titanu, slitiny niklu jako Inconel, kobalt-chrom a některé nástrojové oceli. V poslední době se používají také žáruvzdorné kovy a slitiny hliníku.

Jaké tloušťky vrstvy lze dosáhnout pomocí systémů EBM?

Stroje EBM mohou ukládat vrstvy o tloušťce až 50 mikronů. Tenčí vrstvy o tloušťce 25-35 mikronů jsou typické pro malé složité součásti, zatímco 70-100 mikronů se používá pro větší hrubé díly.

Jaké metody následného zpracování se používají pro komponenty EBM?

Typické následné zpracování zahrnuje odstranění prášku, uvolnění napětí, odřezání z desky, obrábění, povrchovou úpravu, jako je broušení nebo leštění, a kontrolu a testování.

Jaké přesnosti a kvality povrchu lze dosáhnout s díly EBM?

Rozměrová přesnost se pohybuje kolem ±0,2% (±0,5 mm na 25 cm), ale tolerance lze dále zlepšit dodatečným obráběním. Drsnost povrchu se pohybuje v rozmezí 10-50 μm Ra.

Jak si EBM vede v porovnání s DMLS pro aplikace v letectví a kosmonautice?

EBM může odpovídat materiálovým vlastnostem tradičně kovaných titanových součástí pro konstrukční aplikace. Poskytuje vyšší rychlost výroby než DMLS, ale obvykle vyžaduje rozsáhlejší následné zpracování.

znát více procesů 3D tisku