Proceso de fabricación eBM

Fusión por haz de electrones (EBM) es un proceso de fabricación aditiva que utiliza un haz de electrones para fundir selectivamente polvo metálico capa por capa y construir piezas totalmente densas. El proceso de fabricación EBM ofrece capacidades superiores a los métodos de fabricación convencionales para producir piezas metálicas complejas y de alto rendimiento.

Visión general del proceso de fabricación de ebm

La EBM funciona de forma similar a otras técnicas de fusión de lecho de polvo. El proceso tiene lugar en una cámara de alto vacío en la que un haz de electrones explora y funde selectivamente el polvo extendido en finas capas sobre una placa de construcción. Una vez fundida cada capa, la placa de impresión desciende y se extiende más polvo sobre la superficie, tras lo cual el haz de electrones funde y fusiona la siguiente capa.

Detalles clave:

• Construya piezas capa a capa a partir de polvo metálico
• El haz de electrones funde selectivamente el polvo
• El proceso tiene lugar en el vacío
• Alta potencia del haz para una fusión rápida
• Estructuras de soporte utilizadas, retiradas tras el proceso
• Se repite hasta que se forma la pieza completa

Ventajas:

• Libertad de diseño para geometrías complejas
• Piezas metálicas funcionales directamente desde CAD
• Excelentes propiedades mecánicas
• Piezas de alta densidad, hasta 99,9%
• Reducción de residuos en comparación con el mecanizado

La EBM ofrece una mayor libertad para fabricar geometrías complejas con menos restricciones de ángulos, voladizos y socavados en comparación con la fabricación tradicional. Las piezas fabricadas mediante EBM ofrecen propiedades mecánicas comparables o superiores a las del forjado.

Materiales utilizados en EBM

La EBM es capaz de procesar diversas aleaciones en piezas totalmente densas, centrándose la mayor parte de su uso en el titanio, el aluminio, el cromo-cobalto, las aleaciones de níquel, los aceros inoxidables y los aceros para herramientas.

Materiales:

• Titanio Ti64, Ti64ELI, titanio comercialmente puro
• Aluminio AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy
• Cromo-cobalto CoCrMo, CoCrW
• Aleaciones de níquel IN718, IN625, IN939
• Aceros inoxidables 316L, 17-4PH, 304L, 420
• Aceros para herramientas H13, D2, M2
• Otros: CuSn10, CuCr1Zr

Las aleaciones de titanio se utilizan mucho en componentes aeroespaciales, junto con las superaleaciones de níquel. El cromo-cobalto es popular para implantes médicos. Los moldes de acero para herramientas y los componentes de aluminio se utilizan en automoción y automatización. Pueden utilizarse diversos polvos metálicos de hasta 15 micras de tamaño.

Capacidades del proceso EBM

EBM puede fabricar directamente piezas de uso final y productos listos para el servicio con poco o ningún procesamiento posterior. Algunas capacidades clave incluyen:

Complejidad geométrica

• Celosías complejas y estructuras de malla
• Canales profundos, socavones, túneles
• Paredes finas (< 1 mm) y detalles finos
• Aligerar la optimización de la topología

Propiedades mecánicas

• Los valores de resistencia y dureza igualan o superan los de los metales forjados
• Resistencia a la fatiga y a la fractura equiparable a la forja
• Componentes densos con porosidad inferior a 0,8%

Precisión y resolución

• Precisión de 0,2 mm o 2% de la dimensión de la pieza
• El tamaño más fino ronda los 0,3 mm
• Paredes más finas de 0,25-0,5 mm
• El tamaño mínimo de las características sigue mejorando

Acabado superficial

• Acabado superficial EBM en bruto en torno a 5-9 μm de rugosidad.
• El perfilado de acabado puede alcanzar una rugosidad de 1,5 μm
• Procesos adicionales utilizados para un pulido más fino

Construir volúmenes

• Los sistemas comerciales van desde 150 mm de diámetro hasta construcciones de 1000 x 600 x 500 mm
• También se están desarrollando sistemas aduaneros de mayor envergadura
• Mejoras continuas en el tamaño máximo de las piezas

Etapas del proceso de fabricación aditiva EBM

El proceso de fabricación EBM se desarrolla en una serie de pasos para configurar, preparar, construir y completar piezas metálicas de forma aditiva capa a capa utilizando un haz de electrones para fundir y fusionar el material.

Pasos del proceso EBM:

1. Modelado 3D de piezas y optimización del diseño para AM
2. Convertir archivo a formato estándar para el sistema EBM
3. Seleccionar material, establecer parámetros de construcción
4. Preparar el polvo metálico según las especificaciones
5. Cargar el polvo en la máquina, nivelar el área de construcción
6. Extender la capa de polvo, precalentar con la viga
7. Áreas de fusión de la escotilla para cada capa, metal fusible
8. Bajar plataforma, añadir siguiente capa
9. Repetir la superposición/fusión para completar la pieza
10. Retirar de la cámara, separar la pieza de la placa base
11. Retirar las estructuras de soporte de la pieza
12. Tratamiento posterior mediante mecanizado, pulido y prensado isostático en caliente, según sea necesario.

Los parámetros críticos del proceso optimizados para cada material incluyen la potencia del haz, la velocidad del haz, el espaciado de las escotillas, la estrategia de escaneado, el tiempo de capa, el grosor de la capa, las temperaturas de precalentamiento y los tratamientos térmicos posteriores al proceso. El ajuste de estos parámetros permite ajustar la densidad de la pieza, la tensión residual, el acabado superficial, la microestructura y las propiedades mecánicas.

Ventajas de la fabricación aditiva por haz de electrones

La EBM ofrece varias ventajas convincentes sobre la fabricación sustractiva tradicional u otros métodos aditivos en términos de coste, rendimiento, eficiencia, complejidad, propiedades y sostenibilidad.

Ventajas de la MBE:

• Libertad de diseño para geometrías ligeras y complejas
• Flujo de trabajo optimizado desde el CAD hasta la pieza funcional acabada
• Elimina el utillaje y la fijación de características complejas
• Alta densidad metálica de hasta 99,9%
• Excelentes propiedades de resistencia y dureza
• Menor coste por pieza para volúmenes pequeños/medianos
• Reducción de los residuos metálicos en comparación con los procesos sustractivos
• Minimiza el procesamiento posterior y los plazos de entrega
• Control de los parámetros de microestructura y propiedades
• La alta potencia del haz permite velocidades de construcción más rápidas

El proceso EBM facilita enfoques de diseño innovadores y la consolidación de piezas complejas para mejorar el rendimiento. Produce rápidamente componentes metálicos de uso final muy densos sin costes excesivos asociados a utillajes especiales o extensas operaciones de acabado.

Limitaciones de la fabricación aditiva por haz de electrones

Junto a las ventajas, la EBM tiene también algunas limitaciones inherentes que deben tenerse en cuenta a la hora de determinar su idoneidad para aplicaciones de producción.

Limitaciones de la MBE:

• Mayor costo de equipo que los sistemas poliméricos.
• Limitadas aleaciones aeroespaciales/médicas aprobadas actualmente
• La óptica de desviación del haz limita el tamaño máximo de construcción
• Velocidades de escaneado inferiores a la fusión de lecho de polvo por láser
• Menor resolución de los detalles que los sistemas láser
• Fusión del haz afectada por la conductividad del polvo y la altura de construcción
• Tratamiento posterior para mejorar el acabado superficial
• Posibilidad de pequeños vacíos internos o falta de defectos de fusión
• Áreas de supervisión de procesos y control de calidad por madurar

Los elevados gastos de equipamiento asociados a los sistemas de haz de electrones se traducen en un mayor coste de las piezas, lo que hace que la EBM sea más adecuada para la producción de menor volumen, en la que el ahorro de costes derivado del utillaje compensa los desembolsos iniciales de capital.

Control de calidad y postprocesamiento en EBM

Al igual que ocurre con todos los procesos de fabricación aditiva de metal en lecho de polvo, los componentes EBM pueden enfrentarse a posibles problemas de calidad relacionados con la porosidad, las propiedades anisotrópicas, el acabado superficial, la tensión residual, los efectos del polvo y el dimensionamiento geométrico, que es necesario mitigar mediante la optimización de los parámetros, el posprocesamiento, el prensado isostático en caliente y los procedimientos de control de calidad.

Control de calidad:

• Propiedades constantes del polvo metálico de alimentación
• Optimización de parámetros específicos de la aleación y la geometría
• Control in situ de las emisiones térmicas
• Tomografías computarizadas posteriores a la construcción para verificar las densidades
• Pruebas de propiedades mecánicas según las normas ASTM

Post-procesamiento:

• Alivio térmico de tensiones y prensado isostático en caliente
• Granallado para mejorar el acabado superficial
• Fresado, torneado, rectificado, pulido
• Recubrimientos o tratamientos para propiedades funcionales

Los esfuerzos en curso siguen avanzando en la supervisión del proceso en tiempo real, el control de calidad del polvo de alimentación, las simulaciones de modelado y la optimización de los parámetros de retroalimentación en bucle cerrado para progresar en calidad y fiabilidad.

Aplicaciones de la fabricación aditiva por haz de electrones

Las libertades de diseño que permite la EBM se traducen en componentes de uso final de alto rendimiento en sectores progresistas que amplían los límites de las aplicaciones aeroespaciales, de defensa, de tecnología médica, de automoción y energéticas.

Aplicaciones industriales:

Aeroespacial - Álabes de turbina, impulsores, cámaras de empuje, celosías Automoción - Aligeramiento de los componentes del chasis y la cadena cinemática Médico - Implantes ortopédicos, prótesis
Energía - Intercambiadores de calor, recipientes a presión, perforación Defensa - Vehículos aéreos no tripulados, piezas de protección de vehículos militares Herramientas - Moldes, matrices y patrones de refrigeración conformados

La EBM facilita la consolidación de conjuntos complejos en piezas únicas con propiedades mejoradas y sirve para la producción de lotes pequeños y medianos. El proceso sigue avanzando desde la creación rápida de prototipos hacia la fabricación en serie certificada a medida que maduran las aleaciones más amplias y las medidas de control de calidad.

Proveedores de equipos de EBM

Un puñado de proveedores industriales establecidos ofrecen sistemas comerciales de fabricación aditiva EBM junto con soluciones integradas de manipulación de polvo. También se están desarrollando máquinas personalizadas de gran formato.

Proveedores de equipos EBM:

Pequeña escala / Sistemas de investigación

• Arcam A2X
• Instituto de Tecnología de Fabricación Avanzada EBAM 150
• Centro de Mecatrónica de Linz GmbH Micro-EBAM

Los volúmenes de construcción más grandes siguen aumentando con soluciones personalizadas de más de un metro de longitud en I+D. La anchura de los haces también avanza desde un único haz electrónico hacia múltiples haces coordinados para velocidades más rápidas.

Análisis de costes de la fabricación aditiva por haz de electrones

Adoptar la EBM como un proceso de fabricación aditiva de metales de uso final requiere sopesar los gastos de adquisición de equipos, consumibles de materiales y gastos generales operativos frente a los ahorros de costes por pieza unitaria derivados de la consolidación de ensamblajes, la minimización del mecanizado y el dimensionamiento correcto de los inventarios.

Factores de coste - EBM frente a fabricación tradicional

En general, la EBM ofrece ventajas para piezas metálicas complejas de menor volumen, de uno a varios cientos de unidades, en las que el inventario, el tiempo de mecanizado y las consolidaciones de montaje compensan los costes de maquinaria y polvo, superiores en un orden de magnitud a los de la fabricación tradicional de gran volumen, con costosas herramientas y tamaños de lote extremos. La cantidad de piezas, el ritmo, la complejidad, los objetivos de rendimiento y las expectativas de calidad son factores que influyen en gran medida en la selección del método de producción óptimo.

Consideraciones de seguridad en la fabricación aditiva por haz de electrones

Como ocurre con todos los equipos de fabricación industrial, la impresión 3D metálica por haz de electrones introduce riesgos para la salud y la seguridad relacionados con la electricidad de alta tensión, los gases inertes, los polvos metálicos reactivos y la manipulación de materiales tóxicos que requieren controles de mitigación de riesgos.

Consideraciones sobre la seguridad de la MBE:

• Contención electrónica de alta tensión
• Blindaje frente a exposiciones a rayos X
• Gases criogénicos a presión
• Polvos metálicos reactivos
• Exposición a nanopartículas
• Ergonomía del tamizado manual de polvos
• Enclavamientos mecánicos y láser
• Precauciones de inflamabilidad del material
• Requisitos EPI del personal
• Bloqueos de equipos y paradas electrónicas
• Mantenimiento rutinario
• Control de las horas y el rendimiento de las vigas

La formación exhaustiva de los operarios, combinada con los controles de ingeniería, los protocolos de seguridad, los equipos de protección, el mantenimiento regulado y las directivas Assembly Bill y Conformité Européenne que se aplican a los equipos de lecho de polvo, proporcionan múltiples capas de protección de la salud y el medio ambiente.

Perspectivas de futuro de la fabricación aditiva por haz de electrones

A medida que la tecnología y la calidad de la EBM sigan madurando, se espera una adopción más amplia en los sectores aeroespacial, médico, industrial, de herramientas y de automoción, favoreciendo las aplicaciones con volúmenes de producción moderados, inferiores a unos pocos miles de unidades, en las que el rendimiento justifique costes más elevados.

Tendencias futuras en EBM:

• Ampliación de la cartera de aleaciones procesables
• Hardware para grandes volúmenes de fabricación
• Sistemas multihaz para velocidades más rápidas
• Mayor alcance y precisión de la desviación del haz
• Mejor enfoque y precisión del haz
• Vigilancia in situ y control en bucle cerrado
• Normalización de los parámetros del proceso
• Soluciones integrales de gestión del polvo
• Integración de la fabricación híbrida
• Criterios de calidad para la certificación
• Aplicaciones de alta producción

La incorporación de múltiples haces de electrones coordinados puede multiplicar la velocidad de escaneado. Los sistemas híbridos que combinan la EBM con el fresado u otras operaciones secundarias en una única plataforma permiten agilizar el mecanizado posterior. A medida que avanzan el hardware, los materiales, los protocolos de calidad y los flujos de trabajo de aprobación de piezas, la adopción de la EBM se adapta a una mayor velocidad de producción en aplicaciones certificadas en expansión.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Qué materiales puede procesar la EBM?

R: EBM procesa habitualmente titanio, aluminio, níquel, cromo-cobalto, acero inoxidable, acero para herramientas y aleaciones de cobre. Las opciones de materiales siguen ampliándose.

P: ¿La EBM produce piezas porosas o totalmente densas?

R: EBM produce más de 99% de componentes metálicos densos utilizando polvos parcialmente presinterizados. La densidad supera a la de los metales fundidos y forjados.

P: ¿Cuál es la precisión de la EBM en comparación con otros procesos de AM metálica?

R: La precisión dimensional alcanza ±0,2 mm con tolerancias competitivas con otras tecnologías de lecho de polvo, la precisión mejora con la experiencia.

P: ¿Qué industrias utilizan la fabricación EBM?

R: Las industrias aeroespacial, médica, automovilística, industrial, de herramientas, defensa, robótica y energética aprovechan la EBM para componentes de uso final.

P: ¿Cuál es el coste por pieza de la fabricación aditiva EBM?

R: Los costes de las piezas varían entre $100 y $10.000+ en función del tamaño, la complejidad de la geometría, los ritmos de fabricación, los volúmenes de material, las necesidades de postprocesado, etc.

P: ¿Qué proveedores de servicios ofrecen fabricación aditiva EBM?

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

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