Aditivní výroba elektronovým paprskem

Aditivní výroba elektronovým paprskem (EBAM) je proces 3D tisku kovů, který využívá zdroj energie elektronového paprsku ke spojování materiálů. Tato příručka se zabývá systémy EBAM, procesy, materiály, aplikacemi, výhodami a úvahami o zavedení této technologie.

Úvod do aditivní výroby elektronovým paprskem

Aditivní výroba pomocí elektronového svazku (EBAM) je typ kovového 3D tisku, který využívá jako zdroj energie vysoce výkonný elektronový svazek, který přímo z dat CAD spojuje kovové suroviny do plně hustých dílů vrstvu po vrstvě.

Klíčové vlastnosti technologie EBAM:

• Používá zdroj energie elektronového paprsku k tavení materiálů.
• Vytváří díly přidáváním kovového prášku po vrstvách.
• Vytváří téměř síťové díly s vysokou hustotou
• Typickými materiály jsou titan, slitiny niklu, ocel.
• Větší objemy sestavení než u jiných procesů AM s kovem
• Vysoká rychlost nanášení pro rychlejší sestavení
• Průměrná přesnost dílů ±0,3 mm
• Nízké zbytkové napětí ve srovnání s laserovými procesy
• Ideální pro velké a složité kovové díly
• Snížení množství odpadu oproti subtraktivním technikám

EBAM umožňuje inovativní konstrukce, které nejsou možné při konvenční výrobě. Stejně jako u každého aditivního procesu však existují odlišné konstrukční a aplikační aspekty.

Jak Aditivní výroba elektronovým paprskem funguje

Proces EBAM se skládá z:

1. nanášení a vyrovnávání tenké vrstvy kovového prášku
2. Skenovací elektronový paprsek pro selektivní tavení oblastí
3. Snížení stavební desky a opakované vrstvení/tavení
4. Vyjmutí hotových dílů z práškového lože
5. Následné zpracování podle potřeby

Pistole na elektronové paprsky generuje fokusovaný paprsek ve vakuu. Výkon paprsku, rychlost, vzor a další parametry jsou přesně řízeny tak, aby došlo k tavení materiálu.

Systémy EBAM vyžadují vakuovou komoru, manipulaci s práškem, elektronové dělo, ovládací prvky a další subsystémy.

Výrobci zařízení EBAM

Mezi přední světové dodavatele průmyslových systémů EBAM patří:

Výběr systému závisí na výrobních potřebách, materiálech, požadavcích na přesnost a rozpočtu. Alternativou k přímému nákupu zařízení je spolupráce se zkušeným poskytovatelem služeb.

Charakteristika procesu EBAM

EBAM zahrnuje složité tepelné, mechanické a materiálové interakce. Mezi klíčové charakteristiky procesu patří:

Elektronový paprsek - Výkon, průměr paprsku, proud, rychlost skenování, zaostření

Prášek - Materiál, tvar, rozložení velikosti, tloušťka vrstvy

Vakuum - Požadované úrovně tlaku, nečistoty plynu

Teplota - Předehřev, dynamika taveniny, rychlost chlazení

Metadata - Stavební deska, systém hrabiček, stínění

Strategie skenování - Vzory taveniny, oscilace paprsků

Následné zpracování - Tepelné zpracování, HIP, obrábění, dokončovací práce

Pochopení vztahů mezi jednotlivými parametry je pro dosažení vysoké kvality dílů EBAM klíčové.

Pokyny pro navrhování EBAM

Správné postupy při navrhování dílů EBAM zahrnují:

• Návrh s ohledem na principy aditivní výroby
• Použití tenkých stěn a příhradových konstrukcí pro snížení hmotnosti
• Minimalizace nepodporovaných převisů, které vyžadují podpěry.
• Orientujte díly tak, aby nedocházelo k deformaci vlivem napětí.
• Zohlednění vlivu tepelného smrštění v prvcích
• Konstrukční geometrie usnadňující odstraňování prášku
• Navrhování povrchů spíše pro funkčnost než pro vzhled
• Přizpůsobení minimální tloušťce stěny a velikosti prvku
• Umožňuje dodatečné zpracování zásob na povrchu
• Simulace sestav a tepelných efektů u složitých dílů
• Návrh upevnění a rozhraní pro odstraňování práškového lože

Simulační a modelovací nástroje pomáhají předvídat zbytková napětí a deformace.

Materiály EBAM

Pomocí této technologie lze zpracovávat celou řadu kovů aditivní výroba elektronovým paprskem:

Vlastnosti materiálu do značné míry závisí na parametrech procesu EBAM a následné úpravě.

Klíčové aplikace EBAM

EBAM umožňuje zvyšovat výkonnost v různých odvětvích:

Mezi výhody oproti konvenční výrobě patří:

• Snížení množství odpadu díky poměru nákupu a letu 1:1
• Kratší doba realizace díky digitálnímu procesu
• Kombinované sestavy do jednotlivých dílů
• Přizpůsobené geometrie nevhodné pro obrábění
• Vyšší výkon složitých struktur
• Škálovatelné výrobní objemy po získání kvalifikace

EBAM vytváří příležitosti pro návrhy výrobků nové generace, které nelze realizovat jinými prostředky.

Výhody a nevýhody systému EBAM

výhody:

• Velké složité kovové díly z jednoho kusu
• Pevné a lehké komponenty z mřížové konstrukce
• Odpadá potřeba drahých lisovacích forem nebo nástrojů.
• Menší odpad materiálu ve srovnání se subtraktivními technikami
• Relativně rychlá rychlost vytváření ve srovnání s jinými procesy AM
• Nákladově efektivní při středních objemech 100-10 000 kusů
• Konzistentní metalurgie z rychlého tuhnutí
• Kombinuje sestavy do jednotlivých dílů
• Výroba na vyžádání a přizpůsobitelné designy
• Volnost geometrie nad rámec omezení při obrábění

Omezení:

• Vyšší náklady na zařízení než u polymerního 3D tisku
• Omezeno na materiály kompatibilní s vakuem
• nižší přesnost a kvalita povrchu než při obrábění
• K dosažení vlastností je často nutné následné zpracování
• Výroba práškového šrotu vyžadujícího recyklaci
• Potřebný vývoj a zkoušky procesu
• Úvahy o zařízeních s vysokou potřebou energie
• Tepelné namáhání může způsobit deformaci dílu.
• Omezení týkající se převisů a minimálních prvků
• Velikostní omezení vyplývající z obálky stavební komory

Pokud EBAM vyhovuje požadavkům aplikace, umožňuje vylepšení výrobků s vysokou hodnotou.

Implementace technologie EBAM

Klíčová hlediska při zavádění systému EBAM zahrnují:

• Identifikace aplikací, u kterých jsou možnosti EBAM výhodou
• Rozpočtování významných kapitálových investic do systému EBAM
• Vývoj přísných kvalifikačních protokolů a standardů
• Porozumění regulačním požadavkům pro koncové aplikace
• najímání pracovníků s odbornými znalostmi v oblasti práškových lůžek nebo partnerství s poskytovateli služeb
• Poskytnutí času a zdrojů na zkoušky a optimalizace procesů.
• Zavedení postupů manipulace s práškem a větrání
• Zajištění vhodné infrastruktury a energetických kapacit
• Rozpočtování sekundárního zpracování, jako je tepelné zpracování
• Provádění mechanických zkoušek k ověření vlastností

Aplikace, které jsou nejvhodnější pro počáteční zkoušky, jsou méně kritické a méně rizikové.

Úspora nákladů díky systému EBAM

Obchodní důvody pro EBAM závisí na:

• Vysoké náklady na vybavení kolem $1 milionu až $3 milionů.
• Pracovní síla pro vývoj a výrobu
• Náklady na kovové práškové suroviny
• Sekundární dokončovací operace
• Zařízení, infrastruktura pro manipulaci s práškem
• Snížení množství odpadu v porovnání se subtraktivními procesy
• Konsolidace podsestav do jednotlivých dílů
• Kratší lhůty pro vývoj než u konvenčních technik
• hospodárnost při objemech kolem 100-10 000 dílů
• Nejvyšší úspory u složitých geometrií s přidanou hodnotou

Výrobci musí vyšší náklady na vybavení AM vyvážit výrobními přínosy.

EBAM ve srovnání s jinými procesy

Každý proces nabízí specifické výhody v závislosti na aplikaci, velikosti dávky, potřebě přesnosti a požadavcích na výkon.

Výhled do budoucna pro EBAM

Budoucnost je jasná, pokud jde o širší zavádění EBAM, a to díky:

• Širší sortiment slitin pro výrobu
• Větší konstrukční obálky umožňující výrobu větších dílů
• Rychlejší rychlost sestavování pro zvýšení propustnosti
• Lepší povrchová úprava a přesnost rozměrů
• Klesající náklady s rozvojem technologie
• Další automatizace předběžného a následného zpracování
• Hybridní systémy integrující obrábění
• Pokročilé systémy pro monitorování procesu
• Kvalifikace pro náročná průmyslová odvětví, jako je letectví a kosmonautika.
• Optimalizace návrhu s využitím možností EBAM

S rozvojem této technologie bude EBAM transformovat výrobu v nejrůznějších odvětvích.

FAQ

Jaké materiály se používají v systému EBAM?

Lze zpracovávat titan, slitiny niklu, nástrojové oceli, nerezové oceli, slitiny hliníku a drahé kovy.

Jaká je přesnost a povrchová úprava dílů EBAM?

Typická je rozměrová přesnost ±0,3 mm s drsností povrchu kolem 25-125 μm Ra.

Jaké následné zpracování se používá pro díly EBAM?

Lze použít tepelné zpracování, HIP a obrábění. Běžně se používá také plazmové stříkání.

Jak velké díly dokáže EBAM vyrobit?

Běžné stavební objemy se pohybují od 500 x 500 x 500 mm až po 2 x 1 x 1 m u velkých systémů.

Jaké jsou výhody oproti subtraktivním metodám?

EBAM vytváří díly téměř čistého tvaru s menším množstvím odpadu a konsoliduje sestavy do jednotlivých komplexních součástí.

Jaká odvětví používají systém EBAM?

Letecký a kosmický průmysl, energetika, automobilový průmysl, ropný a plynárenský průmysl a zdravotnictví jsou prvními uživateli EBAM.

Jaké odborné znalosti jsou zapotřebí k obsluze zařízení EBAM?

Jsou zapotřebí kvalifikovaní technici se zkušenostmi s procesy v práškovém loži, metalurgií a následným zpracováním.

Jaká bezpečnostní opatření jsou nutná?

Zásadní význam mají ventilace, monitorovací zařízení, ochranné prostředky pro personál a bezpečná manipulace s práškem.

Jaké jsou náklady ve srovnání s běžnou výrobou?

EBAM se stává nákladově efektivní při středním objemu výroby 100-10 000 kusů u složitých konstrukcí.

Můžete stručně vysvětlit proces EBAM?

EBAM nanáší kovový prášek ve vrstvách, které elektronový paprsek selektivně taví vrstvu po vrstvě na základě dat CAD a vytváří tak součást.

znát více procesů 3D tisku