porozumění technologii EBM

Technologie EBM je pokročilá technologie aditivní výroby s jedinečnými schopnostmi. Tato příručka poskytuje komplexní přehled technologie EBM včetně jejího fungování, výhod, aplikací, dodavatelů systémů a srovnání s jinými procesy 3D tisku.

Úvod do tavení elektronovým svazkem (EBM)

Tavení elektronovým paprskem je technika aditivní výroby, která používá elektronový paprsek k selektivnímu tavení a spojování částic kovového prášku vrstvu po vrstvě. Klíčové vlastnosti:

• Používá elektronový paprsek jako zdroj energie k tavení kovového prášku
• Vytváří díly selektivním tavením vrstev prášku
• Typické materiály jsou titan, niklové slitiny, nástrojové oceli, hliník
• Vyrábí plně husté díly s vynikajícími vlastnostmi
• Podporuje složité geometrie, které nejsou možné s litím/obráběním
• Poskytuje svobodu designu, přizpůsobení, zkrácení dodacích lhůt

EBM poskytuje vynikající mechanické vlastnosti, čistotu materiálu, povrchovou úpravu a rozměrovou přesnost u dílů pro konečné použití v leteckém, lékařském, automobilovém a dalších průmyslových odvětvích.

Tato příručka poskytuje podrobný přehled procesu EBM, technologií, výhod, aplikací, dodavatelů systémů a srovnání s jinými metodami AM.

Jak Technologie EBM funguje

Tavení elektronovým paprskem vyrábí díly prostřednictvím následujících klíčových kroků:

Kroky procesu EBM

• 3D model navržený v softwaru CAD je převeden do souboru .STL
• Soubor je rozřezán na vrstvy a je generována sekvence sestavení
• Kovový prášek je rovnoměrně rozprostřen na stavební desku
• Elektronový paprsek selektivně skenuje a taví prášek, aby spojil vrstvy
• Stavební deska se sníží a je rozprostřena nová vrstva prášku
• Proces se opakuje, dokud není celý díl vytvořen vrstvu po vrstvě
• Nespojený prášek podporuje díl během stavby
• Dokončený díl je vyjmut ze stroje pro následné zpracování
• Vysokoenergetický elektronový paprsek poskytuje rychlé a přesné tavení a svařování
• Proces probíhá při vysoké teplotě ve vakuu pro čistotu
• Nepoužitý prášek se regeneruje a znovu používá, čímž se minimalizuje odpad

Typy systémů EBM

V současné době existují dva hlavní typy systémů EBM:

Typy systémů EBM

Typ	Popis
Jednopaprskový systém	Jediný elektronový paprsek
Vícepaprskový systém	Více paralelních paprsků

• Jednopaprskové systémy používají jediný vysoce výkonný elektronový paprsek, typicky 50-60 kW. Rychlosti stavby jsou pomalejší kvůli požadavkům na skenování.
• Vícepaprskové systémy využívají více paprsků dohromady pro vyšší rychlost. Výrazně zkracuje dobu skenování.
• Výkon jednoho paprsku se pohybuje od 3 do 6 kW. Celkový výkon ve vícepaprskových systémech je přes 10 MW.
• Nejnovější generace vícepaprskových systémů dramaticky zlepšuje rychlosti stavby.
• Řízení paprsku, skenování a zaostřování jsou kritické subsystémy pro přesné tavení.

Materiály pro EBM

EBM je kompatibilní s řadou kovů a slitin, včetně:

Materiály EBM

Materiál	Klíčové vlastnosti	Aplikace
Slitiny titanu	Vysoká pevnost, nízká hmotnost	Letectví a kosmonautika, zdravotnictví
Niklové superslitiny	Tepelná/korozní odolnost	Lopatky turbíny
Nástrojové oceli	Tvrdost, odolnost proti opotřebení	Nástroje, formy
Nerezové oceli	Odolnost proti korozi	Námořní hardware
Kobaltový chrom	Biokompatibilita	Lékařské implantáty
Slitiny hliníku	Lehká váha	Automobilový průmysl, konstrukce
Slitiny mědi	Elektrická vodivost	Elektronika

• Titanové slitiny jako Ti-6Al-4V jsou nejběžnější pro kritické letecké komponenty.
• Niklové superslitiny vynikají ve vysokoteplotním prostředí, jako jsou turbínové motory.
• Nástrojové oceli poskytují tvrdost potřebnou pro dlouhotrvající formy a nástroje.
• Biokompatibilní slitiny se používají pro implantáty a lékařské přístroje.
• EBM podporuje reaktivní kovy, jako je titan a hliník, lépe než procesy založené na laseru.

Výhody a výhody EBM

Mezi klíčové výhody, díky nimž je EBM atraktivní pro výrobní aplikace, patří:

Výhody EBM

• Plně husté díly bez dutin
• Vynikající mechanické vlastnosti
• Vysoká geometrická a rozměrová přesnost
• Dobrá povrchová úprava a jemné detaily
• Nízké požadavky na následné zpracování
• Díly s vysokou čistotou s menší kontaminací
• Méně materiálového odpadu díky regeneraci prášku
• Podporovány složité vnitřní geometrie
• Kombinuje více dílů do jednoho designu

Vs. Tradiční výroba

• Umožňuje lehčí a pevnější konstrukce, které nejsou možné s litím nebo obráběním
• Konsoliduje sestavy do jednotlivých tištěných dílů
• Umožňuje tvary, které nelze lisovat nebo kovat
• Zkracuje dodací lhůtu z měsíců na týdny
• Snižuje náklady na výrobu malých dávek

Aplikace EBM

Výhody EBM jej činí vhodným pro:

Aplikace EBM

Průmysl	Používá
Aerospace	Turbínové lopatky, konstrukční rámy, rakety
Lékařský	Ortopedické implantáty, chirurgické nástroje
Automobilový průmysl	Odlehčovací prototypy, zakázkové díly
Nástroje	Vstřikovací formy, tvářecí matrice, přípravky a upínací zařízení
Energie	Výměníky tepla, ventily, čerpadla
Elektronika	Stínění, kontakty, chladicí systémy

• Letecký průmysl rozsáhle využívá EBM pro lehčí a pevnější díly z titanových a niklových slitin.
• Lékařský sektor využívá geometrickou svobodu a biokompatibilitu EBM pro implantáty.
• Automobiloví výzkumníci jej používají k výrobě lehkých optimalizovaných návrhů topologie.
• Do nástrojů pro vstřikování lze zabudovat konformní chladicí kanály.
• Ropný a plynárenský průmysl jej používá pro vysokoteplotní a vysokotlaké komponenty.
• Elektronika těží z jemných detailů a vodivých slitin EBM.

Dodavatelé systémů EBM

Mezi hlavní výrobce, kteří poskytují systémy EBM, patří:

Dodavatelé strojů EBM

Společnost	Značky strojů
Arcam EBM	Arcam A2X, Q20plus, Spectra H, Q10plus
Přísady GE	Arcam EBM Spectra L, Arcam EBM Spectra H
Freemelt	Freemelt ONE, Freemelt TWO
Přísada Wayland	Calder

• Arcam EBM, nyní součást GE Additive, je lídrem na trhu se systémy EBM.
• Další společnosti jako Freemelt a Wayland Additive nabízejí novější generaci vícepaprskových systémů EBM.
• Kapacity strojů se pohybují od 150 mm x 150 mm x 150 mm stavebních objemů po větší 1000 mm verze.
• Nejnovější stroje EBM poskytují automatizovanou manipulaci s práškem a recyklaci v uzavřené smyčce.
• Pro různé aplikace je poskytována podpora přizpůsobených parametrů a školení.

Analýza nákladů pro EBM

Výrobní náklady EBM závisí na:

Nákladové faktory EBM

• Kupní cena stroje – 500 000 až přes 2 miliony dolarů
• Náklady na prášek materiálu na kg
• Náklady na práci za návrh dílu, provoz, následné zpracování
• Objem výroby
• Rychlost stavby a míra využití
• Spotřeba energie
• Údržba zařízení a režijní náklady

Typický rozsah

• Malé díly v Ti-6Al-4V: 20–150 USD za díl
• Větší letecké komponenty: 2 000–15 000+ USD
• Hromadná výroba s vícepaprskovými systémy poskytuje nejnižší náklady

Srovnání mezi EBM a další procesy AM

EBM vs. Jiné kovové AM

	EBM	Laser PBF	DED	Tryskání pojiva
Materiály	Ti, Ni, Al, nástrojové oceli	Ti, Al, oceli, Ni	Většina kovů	Nerezové oceli
Hustota	Plně husté 99 %	Plně husté 99 %	99 % husté	90-95 % husté
Přesnost	Vynikající, ± 0,2 %	Vynikající, ± 0,1 %	Střední, ± 1 %	Střední, ± 0,5 %
Povrchová úprava	Velmi dobré, Ra 25 μm	Vynikající, Ra 10 μm	Hrubé, jak bylo naneseno	Dobré po slinutí
Rychlost sestavení	Mírný	Rychle	Velmi rychle	Mírný
Náklady na vybavení	Vysoký	Vysoký	Mírný	Nízký
Aplikace	Letectví a kosmonautika, zdravotnictví	Letecký a automobilový průmysl	Opravy, povlaky, velké díly	Sériová výroba

• Laser PBF nabízí rychlejší rychlosti stavění a jemnější rozlišení než EBM.
• EBM poskytuje vynikající vlastnosti materiálu s menším vnitřním pnutím.
• Spékání pojiva je levnější, ale pro dosažení plné hustoty vyžaduje slinování.
• DED je rychlý, ale hodí se pro rozsáhlé průmyslové aplikace.
• Uživatelé vybírají proces na základě materiálů, kvality, rychlosti a rozpočtových potřeb.

Výzvy a omezení EBM

Některé výzvy s EBM zahrnují:

• Vysoké náklady na stroje a materiál
• Omezený počet dodavatelů zařízení a servisní podpora
• Omezený výběr materiálů ve srovnání s jinými AM
• Nižší rychlosti stavění než laser PBF
• Manipulace s reaktivními kovovými prášky a jejich recyklace
• Dodatečné zpracování pro uvolnění vnitřního pnutí
• Požadavek vakuového prostředí během stavění

Probíhající vývoj si klade za cíl zvýšit rychlost stavění, snížit náklady na zařízení, rozšířit možnosti materiálů a učinit proces škálovatelnějším pro velkoobjemovou výrobu.

Budoucí výhled pro Technologie EBM

Budoucí trendy v EBM:

• Vyšší rychlost stavění s novějšími více-paprskovými systémy
• Větší stavební platformy nad 500 mm x 500 mm
• Rozšířený rozsah materiálů včetně více slitin hliníku a mědi
• Vylepšená manipulace s práškem a recyklace v uzavřené smyčce
• Vylepšení softwaru pro návrh a optimalizaci procesů
• Snížené náklady na zařízení a širší využití pro výrobu konečných produktů
• Aplikace v satelitních komponentech, elektrické dopravě, nástrojích a biomedicínském sektoru

Pokroky v systémech EBM rozšíří využití v leteckém, automobilovém, lékařském, elektronickém a energetickém průmyslu.

Klíčové poznatky o technologii EBM

• EBM používá elektronový paprsek k selektivnímu tavení a spojování částic kovového prášku vrstvu po vrstvě.
• Vyrábí díly téměř konečného tvaru s vysokou čistotou materiálu, hustotou, pevností a přesností.
• Slitiny titanu, niklové superslitiny, nástrojové oceli, slitiny hliníku jsou běžné materiály.
• Letecký a lékařský sektor jsou dnes hlavními uživateli EBM.
• Poskytuje výhody oproti odlévání, obrábění a dalším metodám AM pro složité geometrie.
• Více-paprskové systémy dramaticky zlepšují rychlost stavění a rozsah výroby.
• Probíhající vývoj si klade za cíl rozšířit materiálové možnosti a snížit náklady.

Často kladené otázky o technologii EBM

Otázka: Jaké materiály lze zpracovávat pomocí EBM?

Odpověď: Mezi běžné materiály EBM patří slitiny titanu, niklové superslitiny, nástrojové oceli, nerezové oceli, kobalt-chrom, slitiny hliníku a slitiny mědi.

Otázka: Jaké jsou některé příklady dílů vyrobených pomocí EBM?

Odpověď: EBM se používá k výrobě kritických leteckých komponent, jako jsou lopatky turbín, konstrukční rámy, části motorů. Používá se také pro lékařské implantáty, automobilové prototypy, průmyslové nástroje a další.

Otázka: Jak přesná je EBM?

Odpověď: EBM nabízí vynikající rozměrovou přesnost v odchylce ±0,2 % ve srovnání s konstrukčními rozměry díky přesnému procesu tavení elektronovým paprskem.

Otázka: Je EBM rychlejší než metody 3D tisku kovů, jako je DMLS?

Odpověď: Obecně platí, že procesy tavení práškového lože laserem nabízejí v současnosti vyšší rychlost stavění než EBM. Nové více-paprskové systémy EBM se však snaží dosáhnout nebo překonat rychlosti PBF laserem.

Otázka: Jaké následné zpracování je vyžadováno pro díly EBM?

Odpověď: Typické následné zpracování zahrnuje odstranění podpěr, tepelné zpracování pro zmírnění pnutí, horké izostatické lisování a obrábění nebo broušení, pokud jsou kritické požadavky na povrchovou úpravu.

Otázka: Jaká je výhoda více-paprskového EBM?

Odpověď: Více-paprskové systémy používají více paralelních elektronových paprsků k tavení vrstev. To poskytuje mnohem vyšší rychlost stavění při zachování materiálových vlastností EBM.

Otázka: Vyrábí EBM porézní nebo zcela pevné díly?

Odpověď: EBM vyrábí více než 99% husté, plně pevné díly s vynikající integritou materiálu a vlastnostmi vhodnými pro funkční konečné použití v náročných aplikacích.

Otázka: Jak se prášek EBM recykluje?

Odpověď: Nepoužitý prášek lze shromáždit, prosít, aby se odstranily velké částice, smíchat s čerstvým práškem a znovu zavést do stroje pro opětovné použití.

Otázka: Je EBM šetrný k životnímu prostředí?

Odpověď: EBM má výhody z hlediska udržitelnosti díky vysoké míře opětovného použití prášku, nízkému odpadu a lehkému optimalizovanému designu, který snižuje spotřebu materiálu po celou dobu životnosti dílu.

znát více procesů 3D tisku