Výrobní proces eBM

Tavení elektronovým paprskem (EBM) je proces aditivní výroby, který používá elektronový paprsek k selektivnímu tavení kovového prášku vrstvu po vrstvě, aby se vytvořily plně husté díly. Výrobní proces ebm nabízí možnosti nad rámec konvenčních výrobních metod pro výrobu složitých, vysoce výkonných kovových dílů.

Přehled výrobního procesu ebm

EBM funguje podobně jako jiné techniky fúze práškového lože. Proces probíhá ve vysokovakuové komoře, kde elektronový paprsek selektivně skenuje a taví prášek rozprostřený v tenkých vrstvách na stavební desce. Po roztavení každé vrstvy se stavební deska sníží a na povrch se shrne více prášku, poté elektronový paprsek roztaví a spojí další vrstvu.

Klíčové údaje:

• Vytvářejte díly vrstvu po vrstvě z kovového prášku
• Elektronový paprsek selektivně taví prášek
• Proces probíhá ve vakuu
• Vysoký výkon paprsku pro rychlé tavení
• Používají se podpůrné konstrukce, odstraněny po procesu
• Opakuje se, dokud se nevytvoří kompletní díl

Výhody:

• Volnost návrhu pro složité geometrie
• Funkční kovové díly přímo z CAD
• Vynikající mechanické vlastnosti
• Díly s vysokou hustotou, až 99,9 %
• Omezte odpad ve srovnání se zpracováním

EBM poskytuje větší svobodu při výrobě složitých geometrií s menším omezením úhlů, přesahů a podřezů ve srovnání s tradiční výrobou. Díly vyrobené pomocí EBM nabízejí mechanické vlastnosti srovnatelné nebo lepší než vlastnosti tvářené.

Materiály používané v EBM

EBM je schopen zpracovávat různé slitiny do plně hustých dílů, přičemž většina použití se zaměřuje na titan, hliník, kobalt chrom, niklové slitiny, nerezové oceli a nástrojové oceli.

Materiály:

• Titan Ti64, Ti64ELI, komerčně čistý titan
• Hliník AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy
• Kobalt Chrom CoCrMo, CoCrW
• Niklové slitiny IN718, IN625, IN939
• Nerezové oceli 316L, 17-4PH, 304L, 420
• Nástrojové oceli H13, D2, M2
• Ostatní: CuSn10, CuCr1Zr

Slitiny titanu se hojně používají v leteckých součástech spolu s niklovými superslitinami. Kobalt chrom je oblíbený pro lékařské implantáty. Nástrojové ocelové formy a hliníkové součásti slouží pro automatizaci a automobilový průmysl. Lze použít různé kovové prášky o velikosti až 15 mikronů.

Možnosti procesu EBM

EBM může přímo vyrábět koncové díly a produkty připravené k použití s malým nebo žádným následným zpracováním. Mezi některé klíčové možnosti patří:

Geometrická složitost

• Složité mřížkové a síťové struktury
• Hluboké kanály, podřezy, tunely
• Tenké stěny (< 1 mm) a jemné detaily
• Optimalizace topologie odlehčování

Mechanické vlastnosti

• Hodnoty pevnosti a tvrdosti odpovídají nebo překračují tvářené kovy
• Odolnost proti únavě a lomu srovnatelná s tvářenými
• Husté součásti s pórovitostí pod 0,8 %

Přesnost a rozlišení

• Přesnost do 0,2 mm nebo 2 % rozměru dílu
• Nejmenší velikost prvku kolem 0,3 mm
• Nejtenčí stěny 0,25-0,5 mm
• Minimální velikosti prvků se nadále zlepšují

Povrchová úprava

• Hrubost povrchu surového EBM kolem 5-9 μm
• Dokončovací profilování může dosáhnout drsnosti 1,5 μm
• Další procesy používané pro jemnější leštění

Objem stavby

• Komerční systémy se pohybují od průměru 150 mm až po stavby 1000 x 600 x 500 mm
• Ve vývoji jsou také větší zakázkové systémy
• Neustálé zlepšování maximálních velikostí dílů

Kroky procesu aditivní výroby EBM

Výrobní proces EBM probíhá jako řada kroků pro nastavení, přípravu, stavbu a dokončení kovových dílů aditivně vrstvu po vrstvě pomocí elektronového paprsku k tavení a spojování materiálu.

Kroky procesu EBM:

1. 3D model dílu a optimalizace návrhu pro AM
2. Převeďte soubor do standardního formátu pro systém EBM
3. Vyberte materiál, nastavte parametry stavby
4. Připravte kovový prášek podle specifikací
5. Vložte prášek do stroje, vyrovnejte stavební plochu
6. Rozetřete vrstvu prášku, předehřejte paprskem
7. Vylíhněte oblasti tavení pro každou vrstvu, spojte kov
8. Spusťte platformu, přidejte další vrstvu
9. Opakujte vrstvení/tavení pro dokončení dílu
10. Vyjměte z komory, oddělte díl od základní desky
11. Odstraňte podpůrné konstrukce z dílu
12. Následné zpracování pomocí obrábění, leštění, horkého izostatického lisování podle potřeby

Kritické procesní parametry optimalizované pro každý materiál zahrnují výkon paprsku, rychlost paprsku, rozteč líhnutí, strategii skenování, dobu vrstvy, tloušťku vrstvy, teploty předehřevu a tepelné zpracování po procesu. Ladění těchto nastavení umožňuje nastavení hustoty dílu, zbytkového napětí, povrchové úpravy, mikrostruktury a mechanických vlastností.

Výhody aditivní výroby elektronovým paprskem

EBM poskytuje několik přesvědčivých výhod oproti tradiční subtraktivní výrobě nebo jiným aditivním metodám, pokud jde o náklady, výkon, účinnost, složitost, vlastnosti a udržitelnost.

Výhody EBM:

• Svoboda designu pro lehké, složité geometrie
• Zjednodušený pracovní postup od CAD k hot
• Odstraňuje potřebu nástrojů a upínacích přípravků pro složité prvky
• Vysoká hustota kovu až 99,9 %
• Vynikající pevnost a tvrdost
• Nižší náklady na díl pro malá/střední množství
• Snížené množství odpadu z kovu ve srovnání se subtraktivními procesy
• Minimalizuje následné zpracování a dodací lhůty
• Řízení parametrů pro mikrostrukturu a vlastnosti
• Vysoký výkon paprsku umožňuje rychlejší rychlost stavění

Proces EBM usnadňuje inovativní konstrukční přístupy a konsolidaci složitých dílů pro zlepšení výkonu. Rychle vyrábí vysoce husté kovové komponenty pro konečné použití bez nadměrných nákladů spojených se speciálním nářadím nebo rozsáhlými dokončovacími operacemi.

Omezení aditivní výroby elektronovým paprskem

Spolu s výhodami má EBM také některá inherentní omezení, která je třeba zvážit při určování vhodnosti pro výrobní aplikace.

Omezení EBM:

• Vyšší náklady na zařízení než u polymerních systémů
• V současné době omezené schválené letecké/lékařské slitiny
• Optika pro vychylování paprsku omezuje maximální velikost stavby
• Nižší rychlost skenování než fúze laserového práškového lože
• Nižší rozlišení jemných prvků než laserové systémy
• Tavení paprskem ovlivněno vodivostí prášku a výškou stavby
• Následné zpracování pro zlepšení povrchové úpravy
• Možné malé vnitřní dutiny nebo vady v důsledku nedostatečného spojení
• Oblasti monitorování procesu a kontroly kvality, které je třeba zdokonalit

Zvýšené náklady na zařízení spojené se systémy elektronového paprsku mají za následek vyšší náklady na díly, díky čemuž je EBM vhodnější pro výrobu s nižším objemem, kde úspory nákladů z nástrojů kompenzují počáteční kapitálové výdaje.

Kontrola kvality a následné zpracování v EBM

Stejně jako u všech procesů aditivní výroby kovů v práškovém loži mohou komponenty EBM čelit potenciálním problémům s kvalitou týkajícím se pórovitosti, anizotropních vlastností, povrchové úpravy, zbytkového napětí, účinků prášku a geometrického dimenzování, které vyžadují zmírnění prostřednictvím optimalizace parametrů, následného zpracování, horkého izostatického lisování a postupů kontroly kvality.

Kontrola kvality:

• Konzistentní vlastnosti kovového prášku
• Optimalizace parametrů specifická pro slitinu a geometrii
• Monitorování tepelných emisí in situ
• CT skenování po výrobě pro ověření hustoty
• Testování mechanických vlastností podle norem ASTM

Následné zpracování:

• Tepelné odlehčení napětí a horké izostatické lisování
• Tryskání kuličkami pro zlepšení povrchové úpravy
• Frézování, soustružení, broušení, leštění
• Povlaky nebo úpravy pro funkční vlastnosti

Probíhající úsilí pokračuje v pokroku v monitorování procesu v reálném čase, kontrole kvality prášku, modelovacích simulacích a optimalizaci parametrů zpětné vazby s uzavřenou smyčkou, aby se zlepšila kvalita a spolehlivost.

Aplikace aditivní výroby elektronovým paprskem

Svoboda návrhu odemčená EBM se promítá do vysoce výkonných komponent pro konečné použití napříč progresivními průmyslovými odvětvími, která posouvají hranice v letectví, obraně, lékařské technologii, automobilovém průmyslu a energetických aplikacích.

Průmyslové aplikace:

Aerospace – Lopaty turbín, oběžná kola, spalovací komory, mřížky Automobilový průmysl – Odlehčování podvozků a komponentů hnacího ústrojí Lékařský – Ortopedické implantáty, protetické pomůcky
Energie – Výměníky tepla, tlakové nádoby, vrtání Obrana – UAV, díly pro ochranná vojenská vozidla Nástroje – Konformní chladicí formy, matrice, vzory

EBM usnadňuje konsolidaci složitých sestav do jediných dílů se zlepšenými vlastnostmi a slouží pro malosériovou až středněsériovou výrobu. Proces pokračuje od rychlého prototypování směrem k certifikované sériové výrobě, jak se rozšiřují slitiny a opatření pro kontrolu kvality.

Dodavatelé zařízení EBM

Hrstka zavedených průmyslových dodavatelů nabízí komerční systémy aditivní výroby EBM spolu s integrovanými řešeními pro manipulaci s práškem. Ve vývoji jsou také zakázkové velkoformátové stroje.

Dodavatelé zařízení EBM:

Dodavatel	Modelka	Velikost sestavení	Materiály
Arcam EBM	Arcam Q20plus	Ø350 x 380 mm	slitiny Ti, CoCr, Al, oceli, slitiny Ni
Arcam EBM Spectra H	650 x 400 x 500 mm	Nástrojová ocel, nerezová ocel, CoCrMo, AlSi10Mg
Arcam EBM Spectra L	350 x 350 x 380 mm	slitiny Ti, slitiny Co, slitiny Ni, oceli
JEOL	JAM-1000	300 x 300 x 300 mm	slitiny Ti, slitiny Ni, slitiny Cu, oceli
Sciaky	EBAM 300	3050 x 1220 x 1220 mm	slitiny Al, certifikované pro letectví
Přísada Wayland	Calibur3	Ø685 x 380 mm	Ti64, Inconel 718, nerezové oceli

Malé systémy / výzkumné systémy

• Arcam A2X
• Institute of Advanced Manufacturing Technology EBAM 150
• Linz Center of Mechatronics GmbH Micro-EBAM

Větší objemy stavby se nadále zvyšují s přizpůsobenými řešeními nad délku jednoho metru v rámci výzkumu a vývoje. Šířky paprsků se také posouvají za jeden elektronový paprsek směrem k více koordinovaným paprskům pro vyšší rychlosti.

Analýza nákladů na aditivní výrobu elektronovým paprskem

Přijetí EBM jako procesu aditivní výroby kovů pro konečné použití vyžaduje zvážení výdajů na pořízení zařízení, spotřebního materiálu a provozních režijních nákladů oproti úsporám nákladů na díly z konsolidace sestav, minimalizace obrábění a správného dimenzování zásob.

Nákladové faktory – EBM vs. tradiční výroba

Nákladový faktor	EBM	Subtraktivní výroba
Pořízení zařízení	500 tis. USD – 1,5 mil. USD+	Nižší náklady na stroje
Prášky z materiálu	100 USD – 800 USD za kg	Nižší náklady na suroviny
Práce	50 USD – 150 USD za hodinu	Obvykle nižší náklady na pracovní sílu
Rychlost sestavení	5-20 cm3/hodinu pro výrobu	Vyšší objemy za hodinu
Spotřeba energie	~50 kWh na kg vyrobeného materiálu	Nižší spotřeba energie
Dodavatelský řetězec	Zjednodušte logistiku, zkraťte dodací lhůty	Složité globální dodavatelské řetězce
Náklady na díl	2 USD – 500 USD+, závisí na velikosti/geometrii/množství	Vysoce závislé na geometrii
Celkové náklady	5 tis. USD – 25 tis. USD+ pro objem stavby za rok	Vysoce variabilní podle odvětví

Obecně platí, že EBM poskytuje výhody pro složité kovové díly s nižším objemem kolem jednoho až několika set kusů, kde inventář, doba obrábění a konsolidace sestav kompenzují vyšší náklady na stroje a prášek o řád vyšší než u tradiční výroby s velkým objemem s drahými nástroji a extrémními velikostmi dávek. Množství dílů, rychlost, složitost, cíle výkonu a očekávání kvality výrazně ovlivňují výběr optimální výrobní metody.

Bezpečnostní hlediska pro aditivní výrobu elektronovým paprskem

Stejně jako u všech průmyslových výrobních zařízení zavádí 3D tisk kovů elektronovým paprskem zdravotní a bezpečnostní rizika týkající se vysokého napětí, inertních plynů, reaktivních kovových prášků a manipulace s toxickými materiály, které vyžadují kontrolu zmírňování rizik.

Bezpečnostní hlediska EBM:

• Ochrana elektroniky s vysokým napětím
• Stínění před rentgenovým zářením
• Kryogenní plyny pod tlakem
• Prach z reaktivních kovových prášků
• Vystavení nanočásticím
• Ergonomie ručního prosévání prášku
• Mechanické a laserové blokování
• Opatření pro hořlavost materiálu
• Požadavky na OOP pro zaměstnance
• Zablokování zařízení a nouzové zastavení
• Běžná údržba pro provozuschopnost
• Monitorování hodin paprsku a výkonu

Důkladné školení obsluhy v kombinaci s technickými kontrolami, bezpečnostními protokoly, ochrannými pomůckami, regulovanou údržbou a směrnicemi Assembly Bill & Conformité Européenne vynucenými pro zařízení s práškovým ložem poskytují více vrstev ochrany zdraví a životního prostředí.

Budoucí výhled pro aditivní výrobu elektronovým paprskem

Jak se technologie a kvalita EBM nadále vyvíjejí, očekává se širší přijetí napříč leteckým, lékařským, průmyslovým, nástrojářským a automobilovým sektorem, což upřednostňuje aplikace se středními výrobními objemy do několika tisíc kusů, kde výkon ospravedlňuje vyšší náklady.

Budoucí trendy v EBM:

• Rozšiřující se portfolio zpracovatelných slitin
• Hardware pro větší objemy stavby
• Vícepaprskové systémy pro vyšší rychlosti
• Vylepšený rozsah a přesnost vychylování paprsku
• Vylepšené zaostřování a přesnost paprsku
• Monitorování in situ a řízení s uzavřenou smyčkou
• Standardizace parametrů procesu
• Komplexní řešení pro správu prášku
• Integrace hybridní výroby
• Srovnávací ukazatele kvality pro certifikaci
• Aplikace pro vysokorychlostní výrobu

Začlenění více koordinovaných elektronových paprsků může znásobit rychlost skenování. Hybridní systémy kombinující EBM s frézováním nebo jinými sekundárními operacemi v jediné platformě umožňují zefektivněné následné obrábění. Jak se vyvíjí hardware, materiály, kvalitativní protokoly a pracovní postupy pro schvalování dílů, přijetí EBM se hodí pro vyšší rychlost výroby napříč rozšiřujícími se certifikovanými aplikacemi.

FAQ

Otázka: Jaké materiály může EBM zpracovávat?

Odpověď: EBM běžně zpracovává titan, hliník, nikl, chrom kobalt, nerezovou ocel, nástrojovou ocel a slitiny mědi. Možnosti materiálů se nadále rozšiřují.

Otázka: Vyrábí EBM porézní nebo plně husté díly?

Odpověď: EBM vyrábí kovové komponenty s hustotou přes 99 % s použitím částečně předslinutých prášků. Hustota přesahuje hustotu litých a tvářených kovů.

Otázka: Jak přesný je EBM ve srovnání s jinými procesy AM kovů?

Odpověď: Rozměrová přesnost dosahuje ±0,2 mm s tolerancemi srovnatelnými s jinými technologiemi práškového lože, přesnost se zlepšuje se zkušenostmi.

Otázka: Která průmyslová odvětví používají výrobu EBM?

Odpověď: Letecký, lékařský, automobilový, průmyslový, nástrojářský, obranný, robotický, energetický průmysl využívají EBM pro komponenty pro konečné použití.

Otázka: Jaké jsou náklady na díl pro aditivní výrobu EBM?

Odpověď: Náklady na díly se pohybují od 100 USD do 10 000+ USD v závislosti na velikosti, složitosti geometrie, rychlosti stavby, objemu materiálu, potřebách následného zpracování atd.

Otázka: Kteří poskytovatelé služeb nabízejí aditivní výrobu EBM?

Odpověď: RapidDirect, 3D Systems, Carpenter Additive, Alloyed, Sigma Labs, Velo3D, Barnes Aerospace, Burloak Technologies, Morf3D.

znát více procesů 3D tisku