3D tisk tavením elektronovým paprskem

Přehled

3D tisk pomocí elektronového svazku je aditivní výrobní technologie, která využívá elektronový svazek jako zdroj energie k selektivnímu tavení a spojování částic kovového prášku vrstvu po vrstvě pro výrobu složitých 3D dílů.

V porovnání s jinými metodami 3D tisku z kovu nabízí EBM výrazné výhody, jako jsou vynikající mechanické vlastnosti, vysoká rychlost výroby, výhody vakuového zpracování a vhodnost pro reaktivní materiály. Vysoké náklady na zařízení a omezené možnosti materiálů však omezují použití EBM na náročné aplikace v leteckém, lékařském a automobilovém průmyslu.

Tento komplexní průvodce se zabývá technologií EBM, procesem, materiály, aplikacemi, výrobci systémů, náklady, výhodami/omezeními a dalšími nejčastějšími dotazy, které výrobcům pomohou posoudit, zda je EBM vhodným řešením pro jejich potřeby.

Jak 3D tisk tavením elektronovým paprskem funguje

Tisk EBM zahrnuje následující klíčové kroky:

Příprava 3D modelu

• Model CAD optimalizovaný pro EBM - tloušťky stěn, podpěry, orientace atd.

Převod souborů do formátu .STL

• Geometrie CAD převedená do souboru trojúhelníkových faset .STL

Nastavení stroje

• Zadávání parametrů sestavení - rychlost, výkon, posun zaostření atd.
• Materiál se načte, parametry se upraví na základě vlastností prášku

Strouhání prášku

• Prášek rovnoměrně rozprostřený v kontrolovaných vrstvách po stavební plošině.

Tavení elektronovým paprskem

• Fokusovaný elektronový paprsek selektivně taví prášek a vytváří jednotlivé vrstvy.
• Vakuové prostředí zabraňuje oxidaci

Snížení plošiny

• Po roztavení vrstvy se plošina indexuje podle tloušťky vrstvy.
• Čerstvá vrstva prášku nanesená na předchozí vrstvu

Vyjmutí ze stroje

• Odstranění přebytečného prášku ze zabudovaných dílů
• Odpojené podpůrné konstrukce
• Následné zpracování v případě potřeby

Proces vytváření jednotlivých vrstev umožňuje vytvářet složité, optimalizované geometrie s vynikajícími vlastnostmi.

Materiály pro 3D tisk EBM

EBM je kompatibilní s řadou kovových slitin:

Lze tisknout standardní i vlastní slitiny optimalizované pro EBM. U nových materiálů je pro dosažení požadovaných vlastností nutné vyladění parametrů.

Dodavatelé strojů EBM

Mezi hlavní výrobce zařízení EBM patří:

Společnost Arcam EBM je průkopníkem komerčních systémů EBM. Další poskytovatelé vstoupili na trh v nedávné době a rozšířili možnosti v oblasti materiálů a velikostí.

Specifikace

Typické specifikace systému EBM:

Vyšší výkon a jemnější zaostření zajišťují ostřejší taveniny a lepší rozlišení prvků. Větší konstrukční obálky usnadňují sériovou výrobu.

Zásady návrhu EBM

Klíčové zásady návrhu dílů EBM:

• Minimalizujte nepodporované plochy, abyste zabránili jejich deformaci.
• Používejte samonosné úhly nad 45°, abyste se vyhnuli podpěrám.
• Konstrukce vnitřních kanálků pro odstranění neroztaveného prášku
• Zohledněte smrštění ~20% ve srovnání s konečnými rozměry dílu.
• Zahrnuje strukturování pro zlepšení toku prášku do složitých oblastí.
• Umístění dílů pro rovnoměrný ohřev a efektivní balení
• Navrhování konstrukcí pro minimalizaci zachyceného prášku
• Udržujte převisy nad 30°, abyste zabránili odkapávání.
• V případě potřeby použijte konformní mřížové podpěry

Volnost konstrukce EBM umožňuje konsolidovat sestavy do optimalizovaných, lehkých monolitických dílů.

Aplikace EBM

EBM je ideální pro:

Letecký a automobilový průmysl:

• Lopatky turbín, vstřikovače paliva, konstrukční rámy, složité skříně.

Lékařský:

• Ortopedické implantáty, protézy, chirurgické nástroje vyžadující biokompatibilitu

Průmyslový:

• Lehké robotické komponenty, díly pro manipulaci s kapalinami vystavené korozi

Obrana:

• Odolné, přizpůsobené komponenty, jako jsou chladicí kanály a držáky

VÝZKUM A VÝVOJ:

• Nové slitiny, kompozity s kovovou matricí a mřížkové struktury

Kombinace konstrukční svobody, technických vlastností a ekonomiky výroby činí z EBM proces, který je vhodný pro kritické aplikace.

Analýza nákladů

Systém EBM a náklady na výrobu dílů závisí na:

Nákup stroje

• ~$800,000 pro středně velké výrobní stroje
• Mnohamilionové investice do velkých systémů

Náklady na materiál

• Prášek se může pohybovat od $100-500/kg
• Některé slitiny, jako je Ti64, mají vyšší ceny.

Provozní náklady

• Průměrné náklady na stroj ~$50-150/hod.
• Pracovní síla pro předzpracování a následné zpracování

Velikost dílu

• Větší díly vyžadují více materiálu a času na výrobu
• Malé díly lze pro zvýšení efektivity vnořit do sebe

Následné zpracování

• Tepelné zpracování, CNC, dokončovací práce zvyšují náklady

Celkové náklady na díl

• Malé díly ~ $20-$50 na palec krychlový
• Velké díly ~$5-$15 na palec krychlový

Vyšší využití díky dávkové výrobě a nestingu snižuje náklady na jeden díl.

Řízení a optimalizace procesů

Kritické parametry procesu, které je třeba kontrolovat:

• Napájení - Vlivy na velikost bazénu taveniny, průnik, rychlost budování
• Rychlost - Vliv na rozlišení, kvalitu povrchu, tvary nánosů
• Zaostřovací posun - kontroluje tvar paprsku, průnik, vady
• Tloušťka vrstvy - Určuje rozlišení osy Z, dobu sestavení
• Rozteč poklopů - Upravte tak, abyste dosáhli požadované hustoty, a zabraňte vzniku kuliček
• Strategie skenování - Jednosměrné, ostrovní, obrysové vzory ovlivňujízbytková napětí a deformace
• Předehřátí - Zlepšuje spékání prášku, snižuje praskání a deformace.

Návrh experimentů v kombinaci se studiem taveniny a mikrostrukturní charakterizací poskytuje informace o výběru parametrů pro dosažení požadovaných vlastností.

Následné zpracování

Typické kroky následného zpracování EBM:

• Odstranění - Odstranění prachu pro odpojení dílů ze stavební desky
• Odstranění podpory - V případě potřeby odříznutí podpůrných konstrukcí
• Odstraňování stresu - Tepelné ošetření k zabránění vzniku trhlin
• Povrchová úprava - Obrábění, broušení, leštění pro zlepšení povrchové úpravy
• Izostatické lisování za tepla - Teplem a tlakem se uzavřou zbytkové póry a zvýší se hustota.
• Inspekce - Potvrzení rozměrů, materiálového složení, vad

Minimalizace podpěr a následného zpracování je klíčovým faktorem při návrhu dílů EBM.

Kvalifikace a certifikace

Díly EBM určené pro regulovaná odvětví vyžadují:

• Zkoušky podle platných norem, jako jsou ASTM F2924, ASTM F3001 atd.
• Rozsáhlá metrologická kontrola kritických rozměrů a kvality povrchu
• Analýza složení materiálu pomocí chemické analýzy, charakterizace mikrostruktury
• Hodnocení mechanických vlastností, jako je zkouška tahu, únavy a lomové houževnatosti.
• Nedestruktivní kontrola pomocí rentgenové tomografie, kapalinové penetrační zkoušky atd.
• Dokumentace úplné sledovatelnosti prášku, parametrů sestavení, následného zpracování atd.
• Formální kvalifikace a certifikace dílů příslušnými orgány

Dodržování zavedených protokolů a norem zajišťuje, že díly splňují přísné požadavky na kvalitu.

EBM v porovnání s jinými kovovými AM

Výhody EBM

• Vynikající vlastnosti materiálu díky rychlejšímu chlazení
• Vysoká produktivita a nízké náklady na jeden díl
• Potřeba minimálních podpůrných struktur
• Bez vlivu zbytkových napětí a deformace
• Vakuové prostředí zabraňuje oxidaci
• Nižší tepelné gradienty oproti laserovým procesům

Omezení

• Pouze vodivé materiály, v současné době omezené možnosti materiálů
• Více geometrických omezení než laserová AM
• Hrubá povrchová úprava často vyžaduje dodatečné obrábění
• Náklady na vybavení jsou vyšší než u laserových systémů

Úspěšná implementace EBM

Klíče k přijetí EBM:

• Vyhodnocení požadavků na aplikace dílů v porovnání s možnostmi EBM
• Vyhodnocení očekávaného využití stroje pro stanovení návratnosti investic
• Zohlednění času/nákladů na následné zpracování při plánování
• Spolupracujte se zkušenými servisními kancelářemi, abyste se co nejméně učili.
• Využití odborných znalostí v oblasti konstrukce EBM k přepracování dílů pro optimální vyrobitelnost.
• Přechod od výroby prototypů k sériové výrobě s cílem maximalizovat produktivitu.
• Zavedení spolehlivých protokolů pro řízení kvality a certifikaci

Komplexní přístup k implementaci umožňuje společnostem využít přínosy EBM a stát se lídry ve výrobě.

Nejčastější dotazy

Jaké materiály se používají v EBM?

Běžné jsou slitiny titanu, superslitiny niklu, nástrojové oceli, kobalt-chrom a nerezové oceli. Lze tisknout standardní i zakázkové slitiny optimalizované pro EBM.

Jaké jsou náklady na EBM ve srovnání s jinými procesy AM?

Stroje EBM a práškové suroviny jsou dražší než laserové systémy AM. Vyšší rychlost výroby a produktivita to však mohou kompenzovat u výrobních aplikací.

Jaké jsou hlavní rozdíly mezi EBM a selektivním laserovým tavením?

EBM se vyznačuje vyšší rychlostí vytváření, provozem při zvýšené teplotě a vynikajícími vlastnostmi materiálu, zatímco hlavními kompromisy jsou omezení v oblasti povrchové úpravy a geometrické volnosti.

Jaké typy následného zpracování jsou obvykle vyžadovány pro díly EBM?

Běžně se používá odstraňování podpěr, tepelné zpracování pro uvolnění napětí, izostatické lisování za tepla a povrchové úpravy, jako je CNC obrábění. Minimalizace podpěr během návrhu snižuje nároky na následné zpracování.

Jak velké díly lze vyrobit pomocí technologie EBM?

Malé stolní systémy mají stavební objem pod 100 mm krychlových, zatímco velké výrobní systémy mohou pojmout díly o velikosti přes jeden metr. Maximální velikost se rozšiřuje s novějšími velkoformátovými stroji.

Závěr

Jedinečné možnosti rychlého tavení společnosti EBM umožňují výrobu složitých kovových součástí s bezkonkurenčními vlastnostmi a produktivitou. Zatímco náklady na zařízení a možnosti materiálů dosud omezovaly jejich zavádění, pokračující pokrok otevírá nové aplikace v leteckém, lékařském, obranném, automobilovém a energetickém průmyslu. Budoucnost EBM je jasná, protože kvalita a spolehlivost dílů se stále zlepšuje a kovové prášky jsou stále dostupnější a cenově přijatelnější. Informovaní výrobci, kteří využívají výhod EBM a zároveň počítají s jeho omezeními, jsou připraveni narušit zavedené firmy a stát se novými lídry.

znát více procesů 3D tisku