Fabricación Aditiva EBM

Descripción general de la fabricación aditiva EBM

La fusión por haz de electrones (EBM) es un tipo de fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo que utiliza un haz de electrones para fundir y fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa para construir piezas 3D complejas.

Las características clave del proceso EBM incluyen:

• Construye piezas completamente densas a partir de materia prima de polvo metálico.
• Utiliza un haz de electrones como fuente de energía.
• Opera bajo vacío y alta temperatura.
• Consigue excelentes propiedades mecánicas.
• Ideal para metales reactivos como titanio y tantalio.
• Permite geometrías complejas que no son posibles con el mecanizado.
• Es posible que se requiera un posprocesamiento para lograr el acabado final de la pieza.

EBM proporciona beneficios de libertad de diseño, consolidación de piezas, peso reducido y mejoras de rendimiento en aplicaciones aeroespaciales, médicas, dentales, automotrices e industriales.

Cómo Fabricación Aditiva EBM Obras

El proceso de fabricación aditiva EBM funciona de la siguiente manera:

1. Un modelo CAD 3D se corta en finas capas transversales.
2. El polvo metálico se distribuye uniformemente sobre una placa de construcción en la cámara de vacío.
3. Un haz de electrones escanea y funde selectivamente el polvo en función de los datos del corte.
4. La placa de construcción cae y se extiende otra capa de polvo sobre ella.
5. Los pasos 3-4 se repiten hasta completar la pieza.
6. Se elimina el exceso de polvo y la pieza se trata térmicamente.
7. Si es necesario, se puede realizar un posprocesamiento como mecanizado o taladrado.

La máquina EBM controla con precisión el haz de electrones mediante lentes electromagnéticas y bobinas de desviación. El proceso se lleva a cabo bajo alto vacío, lo que permite temperaturas de fusión muy altas.

Tipos de sistemas de fabricación aditiva EBM

Hay dos tipos principales de máquinas EBM:

Arcam EBM y GE Additive son los principales fabricantes de sistemas EBM que ofrecen máquinas tanto de pequeña como de gran escala.

Materiales para la fabricación aditiva EBM

Se puede procesar una variedad de metales utilizando la tecnología EBM:

• Aleaciones de titanio: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
• Aleaciones de níquel: Inconel 718, Inconel 625
• Aleaciones de cobalto-cromo: CoCrMo
• Aceros: Aceros inoxidables, aceros para herramientas, acero martensítico
• Metales refractarios: tantalio, tungsteno
• Metales preciosos: Plata, oro, platino
• Aleaciones de aluminio: AlSi10Mg

El titanio es especialmente adecuado para la EBM debido a su reactividad. Pero el proceso también puede construir piezas de alta resistencia y resistentes a la corrosión a partir de otras aleaciones avanzadas.

Aplicaciones de la fabricación aditiva EBM

Las principales aplicaciones incluyen:

Aeroespacial: Palas de turbina, componentes de motor, fuselaje y piezas estructurales.

Implantes médicos: Implantes ortopédicos, dispositivos de fijación, instrumentos quirúrgicos.

Automoción: Ruedas de turbocompresor, cuerpos de válvulas, piezas del sistema de combustible

Industrial: Intercambiadores de calor, recipientes a presión, carcasas de bombas, plantillas y accesorios

Petróleo y gas: Herramientas de fondo de pozo, cuerpos de válvulas, colectores

Defensa: Componentes de satélites y vehículos aéreos no tripulados, blindaje

EBM permite componentes más ligeros, más resistentes y de mayor rendimiento con diseños optimizados en estas industrias.

Beneficios de Fabricación Aditiva EBM

Los beneficios de la tecnología EBM incluyen:

• Baja porosidad – La densidad cercana a 100% da como resultado excelentes propiedades mecánicas
• Alta resistencia – Las aleaciones de titanio igualan e incluso superan las propiedades de los materiales forjados.
• Libertad de diseño – Se pueden fabricar geometrías complejas
• Creación rápida de prototipos – Acelera los ciclos de desarrollo de productos.
• Consolidación parcial – Reduce los ensamblajes al integrar múltiples componentes.
• Reducción de peso – Los componentes más ligeros permiten ahorrar combustible en la industria automovilística y aeroespacial.
• Producción justo a tiempo – Reduce los largos plazos de entrega de piezas fundidas y forjadas.
• Productos personalizados – Dispositivos médicos específicos para pacientes y bienes de consumo personalizados
• Producción sostenible – Reduce el desperdicio en comparación con los métodos sustractivos.

Estos beneficios impulsan la adopción de EBM en todas las industrias para mejorar el rendimiento, reducir costos y permitir innovaciones de nuevos productos.

Limitaciones de la fabricación aditiva EBM

La EBM tiene algunas limitaciones:

• Alto costo del equipo – Las máquinas EBM tienen un alto costo de capital inicial en el rango de $500.000-$1,5 millones.
• Restricciones de tamaño de pieza – Las envolventes de construcción restringen las dimensiones máximas de las piezas.
• Precisión dimensional – A menudo se requiere posprocesamiento para lograr tolerancias estrictas.
• Acabado superficial – El efecto de escalón provoca superficies rugosas que requieren acabado
• Tasa de construcción – Más lento que los procesos de fusión en lecho de polvo que utilizan rayos láser o de electrones.
• Metales reactivos – Limitado a metales inertes o metales como el titanio y el tantalio.
• Eliminación de polvo – El polvo metálico no utilizado debe retirarse y reciclarse.
• Estreses térmicos – Puede causar deformaciones y grietas en las piezas.

Los continuos desarrollos en la tecnología EBM tienen como objetivo mejorar la velocidad, la calidad, la flexibilidad del material y la rentabilidad.

Principios de diseño para la fabricación aditiva EBM

Seguir las pautas de diseño es crucial para utilizar con éxito la tecnología EBM:

• Minimizar los voladizos y las geometrías sin soporte.
• Incluye pequeños orificios (1-2 mm) para eliminar el exceso de polvo.
• Utilice estructuras de celosía para reducir el peso.
• Mantener espesores de pared superiores a 1 mm.
• Incluir ángulos ≥ 30° para evitar concentraciones de tensiones.
• Cuenta para el factor de escala lineal 0.2%
• Permita una tolerancia de 0,2 mm en detalles finos
• Diseñe canales internos ≥ 2 mm para el paso de polvo
• Minimizar las áreas de acumulación de polvo atrapado
• Coloque la pieza sobre la placa para minimizar el área de la sección transversal.

Las herramientas de simulación ayudan a evaluar el rendimiento del diseño en las primeras etapas del proceso de diseño. Los diseños se pueden optimizar específicamente para las capacidades de AM.

Parámetros de proceso para EBM

Los parámetros críticos del proceso EBM incluyen:

• potencia del haz – Afecta la tasa de construcción, la porosidad y la microestructura.
• Velocidad del haz – Las velocidades más altas aumentan la tasa de construcción pero pueden comprometer la densidad
• Enfoque del haz – Fusión de control de enfoque y deflexión.
• estrategia de escaneo – La dirección de trama alterna entre capas reduce las tensiones residuales
• Grosor de la capa – Las capas más finas mejoran la resolución pero reducen la velocidad de construcción
• Temperatura de construcción – Las temperaturas más altas reducen las tensiones residuales pero comprometen la precisión
• Tamaño del estanque de fusión – Afecta la microestructura y las propiedades locales.
• Materia prima – La distribución del tamaño del polvo y su morfología influyen en la densidad y el acabado de la superficie.

El control de estos parámetros permite ajustar las propiedades y la calidad para aplicaciones específicas.

Postprocesamiento para piezas EBM

Los pasos comunes de posprocesamiento de piezas de EBM incluyen:

• Eliminación de polvo – Granallado para eliminar el exceso de polvo de las cavidades internas.
• Alivio del estrés – El prensado isostático en caliente puede ayudar a reducir las tensiones residuales.
• Cortar – Electroerosión por hilo para retirar piezas de la placa de construcción.
• Mecanizado – Fresado, torneado y taladrado CNC para lograr precisión dimensional y acabados superficiales.
• Pulido – Para un acabado superficial brillante en piezas visuales como joyas e implantes médicos
• Revestimientos – Aplicación de revestimientos resistentes al desgaste, de baja fricción o estéticos
• Pruebas de calidad – Medir propiedades mecánicas, defectos internos, microestructura.

Minimizar el posprocesamiento reduce el costo total de la pieza. Pero las aplicaciones críticas pueden requerir un acabado exhaustivo para cumplir con las especificaciones.

Control de calidad para EBM

Los rigurosos procedimientos de control de calidad para la producción de EBM implican:

• Inspección de materias primas: análisis de tamices, pruebas de caudal y microscopía de polvo de materia prima.
• Monitoreo durante el proceso: tamaño del baño de fusión, temperatura del lecho de polvo, nivel de vacío
• Verificaciones dimensionales: CMM y otras inspecciones metrológicas de dimensiones críticas
• Ensayos mecánicos: tracción, compresión, microdureza, tenacidad a la fractura, fatiga.
• Evaluación no destructiva: tomografía computarizada por rayos X para detectar defectos internos
• Metalografía – Caracterización microestructural mediante microscopía óptica y electrónica.
• Análisis de densidad: método de Arquímedes o picnometría de helio para verificar una densidad ≥ 99,51 TP3T
• Medición de rugosidad superficial: perfilometría óptica para cuantificar la textura de la superficie
• Análisis químico: ICP y espectroscopia de masas para verificar la composición.
• Construcciones de validación: compilaciones de prueba para verificar los parámetros del proceso para piezas nuevas.

Esta prueba integral verifica la calidad del producto EBM para aplicaciones industriales estrictas.

Modelado de costos para Fabricación Aditiva EBM

Los costos totales dependen de:

• Costo de la máquina – Alta inversión en bienes de capital
• Coste del material – Costo de materia prima en polvo/kg
• Costo operacional – Mano de obra, energía, mantenimiento, gas inerte.
• Tratamiento posterior – Mecanizado y acabado adicional
• Velocidad de construcción – Las construcciones más rápidas reducen los costos
• Tasa de uso – Un mayor uso de la máquina distribuye los costos entre más piezas
• Ratio de compra por vuelo – El polvo no utilizado debe reciclarse, lo que aumenta los costes.
• Geometría de la pieza – Las piezas compactas maximizan el uso del volumen de construcción
• Volumen de construcción – Las máquinas más grandes permiten un mayor rendimiento
• Economías de escala – La producción en gran volumen reduce los costos por pieza

Los costos disminuyen significativamente a medida que aumentan los volúmenes de producción y el exceso de polvo se puede reutilizar.

Selección de un proveedor de fabricación aditiva de EBM

Criterios para seleccionar un proveedor de servicios EBM:

• Instalaciones de sistemas comprobadas y referencias de clientes.
• Diversa experiencia certificada en aplicaciones aeroespaciales, médicas e industriales.
• Gama de materiales calificados como titanio, inconel, cromo cobalto.
• Certificación del sistema de gestión de calidad: ISO 9001, AS9100
• Estrictos procedimientos de prueba de control de calidad.
• Inventario de polvos estándar y especiales.
• Capacidades secundarias de mecanizado y acabado internas.
• Soporte de diseño y construcción de servicios de simulación.
• Ingenieros profesionales en plantilla con experiencia en metalurgia.
• Grandes envolventes de construcción para un alto rendimiento
• Estructura de precios competitiva comunicada de forma transparente
• Capaz de gestionar ITAR y otros proyectos regulados.
• Ubicado cerca, lo que permite reuniones y colaboración en persona

Los proveedores de servicios establecidos con trayectoria en industrias reguladas tienden a cumplir mejor con las rigurosas expectativas de calidad.

Pros y contras de la EBM frente a otros métodos de AM

Ventajas de la MBE:

• Piezas metálicas totalmente densas que rivalizan con las propiedades forjadas.
• Buen acabado superficial en superficies orientadas hacia arriba
• Alta tasa de construcción en relación con los procesos láser
• Bajas tensiones residuales en comparación con la fusión por láser en lecho de polvo
• Excelentes propiedades mecánicas de los componentes acabados.
• El control del baño de fusión permite el refinamiento de la microestructura
• Condiciones de construcción inertes ideales para metales reactivos como el titanio.
• Rentable para volúmenes de producción medianos a altos

Desventajas de la MBE:

• Mayor costo de equipo que los sistemas poliméricos.
• Opciones de materiales limitadas en comparación con el PBF láser
• Proceso controlado que requiere operadores capacitados
• A menudo se requiere un posprocesamiento significativo
• Consume grandes cantidades de energía eléctrica.
• Tamaño máximo de pieza restringido por la envolvente de construcción
• Manipulación y reciclaje de polvos metálicos reactivos.
• Menor precisión del perfil que las piezas mecanizadas o forjadas.

Para la producción de componentes metálicos de volumen medio a alto, EBM se destaca por ofrecer alta resistencia y calidad a costos razonables. Pero se requiere experiencia para dominar el proceso.

Comparación de EBM vs DMLS y SLM

EBM frente a DMLS:

EBM frente a SLM:

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Qué materiales se pueden procesar con la tecnología EBM?

Los materiales de EBM más comunes son las aleaciones de titanio, aleaciones de níquel como Inconel, cromo cobalto y algunos aceros para herramientas. Más recientemente, también se están adoptando metales refractarios y aleaciones de aluminio.

¿Qué espesor de capa se puede conseguir con los sistemas EBM?

Las máquinas EBM pueden depositar capas de hasta 50 micras de espesor. Las capas más delgadas de 25 a 35 micrones son típicas para componentes pequeños e intrincados, mientras que se usan de 70 a 100 micrones para piezas más grandes y gruesas.

¿Qué métodos de posprocesamiento se utilizan para los componentes EBM?

El posprocesamiento típico incluye eliminación de polvo, alivio de tensiones, corte de la placa, mecanizado, tratamientos de superficie como esmerilado o pulido e inspección y pruebas.

¿Qué precisión y acabado superficial se pueden lograr con las piezas EBM?

Se puede lograr una precisión dimensional de alrededor de ±0,2% (±0,5 mm por 25 cm), pero las tolerancias se pueden mejorar aún más mediante el posmecanizado. La rugosidad de la superficie construida varía de 10 a 50 μm Ra.

¿Cómo se compara EBM con DMLS para aplicaciones aeroespaciales?

EBM puede igualar las propiedades de los materiales de los componentes de titanio forjados tradicionalmente para aplicaciones estructurales. Proporciona tasas de construcción más altas que DMLS, pero generalmente requiere un posprocesamiento más extenso.

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