Fabricación aditiva por haz de electrones

Fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM) es un proceso de impresión metálica en 3D que utiliza una fuente de energía de haz de electrones para fusionar materiales. Esta guía examina los sistemas EBAM, los procesos, los materiales, las aplicaciones, las ventajas y las consideraciones para adoptar esta tecnología.

Introducción a la fabricación aditiva por haz de electrones

La fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM) es un tipo de impresión metálica en 3D que utiliza un haz de electrones de alta potencia como fuente de energía para fundir la materia prima metálica en piezas totalmente densas capa a capa directamente a partir de datos CAD.

Atributos clave de la tecnología EBAM:

• Utiliza una fuente de energía de haz de electrones para fundir materiales
• Construye piezas añadiendo polvo metálico capa a capa
• Crea piezas con forma casi de red y alta densidad
• Los materiales típicos son el titanio, las aleaciones de níquel, el acero
• Mayores volúmenes de fabricación que otros procesos de AM metálica
• Alta velocidad de deposición para construcciones más rápidas
• Precisión media de las piezas de ±0,3 mm
• Baja tensión residual en comparación con los procesos láser
• Ideal para piezas metálicas grandes y complejas
• Reduce los residuos frente a las técnicas sustractivas

EBAM permite diseños innovadores que no son posibles con la fabricación convencional. Sin embargo, como ocurre con cualquier proceso aditivo, hay que tener en cuenta distintas consideraciones de diseño y aplicación.

Cómo Fabricación aditiva por haz de electrones Obras

El proceso EBAM consiste en:

1. Depósito y nivelación de una fina capa de polvo metálico
2. Haz de electrones de barrido para fundir selectivamente zonas
3. Bajar la placa de impresión y repetir la estratificación/fusión
4. Retirada de piezas terminadas del lecho de polvo
5. Postprocesamiento según sea necesario

Un cañón de electrones genera un haz concentrado en condiciones de vacío. La potencia del haz, la velocidad, el patrón y otros parámetros se controlan con precisión para fusionar el material.

Los sistemas EBAM requieren una cámara de vacío, manipulación de polvo, cañón de electrones, controles y otros subsistemas.

Fabricantes de equipos EBAM

Entre los principales proveedores mundiales de sistemas industriales EBAM figuran:

La selección del sistema depende de las necesidades de producción, los materiales, los requisitos de precisión y el presupuesto. La asociación con un proveedor de servicios experimentado es una alternativa a la compra directa de equipos.

Características del proceso EBAM

La EBAM implica complejas interacciones térmicas, mecánicas y de materiales. Las principales características del proceso son:

Haz de electrones - Potencia, diámetro del haz, corriente, velocidad de exploración, enfoque

Polvo - Material, forma, distribución del tamaño, grosor de la capa

Vacío - Niveles de presión requeridos, impurezas del gas

Temperatura - Precalentamiento, dinámica del baño de fusión, velocidad de enfriamiento

Metadatos - Placa de construcción, sistema de rastrillo, blindaje

Estrategia de exploración - Patrones de baño de fusión, oscilaciones del haz

Tratamiento posterior - Tratamiento térmico, HIP, mecanizado, acabado

Comprender las relaciones entre parámetros es fundamental para conseguir piezas EBAM de alta calidad.

Directrices de diseño EBAM

Las prácticas adecuadas de diseño de piezas EBAM incluyen:

• Diseño teniendo en cuenta los principios de la fabricación aditiva
• Utilizar paredes finas y estructuras reticulares para reducir el peso
• Minimizar los voladizos no soportados que requieren soportes
• Orientar las piezas para evitar tensiones que provoquen alabeos
• Tener en cuenta los efectos de la contracción térmica en las características
• Geometría de diseño para facilitar la eliminación del polvo
• Superficies diseñadas para que sean funcionales y no estéticas
• Se adaptan al grosor mínimo de la pared y al tamaño del elemento
• Permitir el tratamiento posterior de las existencias en las superficies
• Simulación de construcciones y efectos térmicos en piezas complejas
• Diseño de fijaciones e interfaces para la eliminación del lecho de polvo

Las herramientas de simulación y modelización ayudan a predecir las tensiones residuales y la deformación.

Materiales EBAM

Se pueden procesar diversos metales con fabricación aditiva por haz de electrones:

Las propiedades del material dependen en gran medida de los parámetros del proceso EBAM y del postratamiento.

Aplicaciones clave de EBAM

EBAM permite mejorar el rendimiento en todos los sectores:

Entre las ventajas con respecto a la fabricación convencional se incluyen:

• Reducción de residuos gracias a una proporción de compra a vuelo de 1:1
• Menor plazo de entrega gracias al proceso digital
• Ensamblajes combinados en piezas individuales
• Geometrías personalizadas no aptas para el mecanizado
• Mayor rendimiento de las estructuras complejas
• Volúmenes de producción escalables una vez cualificados

El EBAM crea oportunidades para diseños de productos de nueva generación que no son viables por otros medios.

Ventajas e inconvenientes del EBAM

Ventajas:

• Grandes piezas metálicas complejas en una sola pieza
• Componentes resistentes y ligeros de diseños reticulares
• Elimina la necesidad de matrices o utillajes costosos
• Reducción del desperdicio de material en comparación con las técnicas sustractivas
• Velocidad de fabricación relativamente rápida en comparación con otros procesos de AM
• Rentable en volúmenes medios de 100-10.000 unidades
• Metalurgia consistente de solidificación rápida
• Combina conjuntos en piezas individuales
• Producción bajo demanda y diseños personalizables
• Libertad de geometría más allá de las restricciones de mecanizado

Limitaciones:

• Mayor coste del equipo que la impresión 3D de polímeros
• Restringido a materiales compatibles con el vacío
• Menor precisión y acabado superficial que el mecanizado
• A menudo es necesario el postprocesado para conseguir propiedades
• Producción de chatarra en polvo que requiere reciclado
• Desarrollo de procesos y ensayos necesarios
• Consideraciones sobre las instalaciones para grandes necesidades de potencia
• Las tensiones térmicas pueden provocar la deformación de la pieza
• Restricciones sobre voladizos y características mínimas
• Limitaciones de tamaño por la envolvente de la cámara de construcción

Cuando se adapta a los requisitos de la aplicación, el EBAM permite mejorar productos de gran valor.

Implantación de la tecnología EBAM

Las consideraciones clave a la hora de adoptar el EBAM incluyen:

• Identificación de aplicaciones en las que las capacidades EBAM aportan ventajas
• Presupuestar una importante inversión de capital para el sistema EBAM
• Desarrollar protocolos y normas de cualificación rigurosos
• Comprensión de los requisitos reglamentarios para las aplicaciones de uso final
• Contratación de personal experto en lechos de polvo o asociación con proveedores de servicios.
• Tiempo y recursos para probar y optimizar los procesos
• Aplicación de procedimientos de manipulación de polvos y ventilación
• Proporcionar una infraestructura de instalaciones y una capacidad energética adecuadas
• Presupuestación de transformaciones secundarias como el tratamiento térmico
• Realización de ensayos mecánicos para validar las propiedades

Las aplicaciones más adecuadas para las pruebas iniciales son las menos críticas y de menor riesgo.

Ahorro de costes con EBAM

La rentabilidad de EBAM depende de:

• Coste elevado de los equipos, entre 1 y 4 millones de euros.
• Mano de obra para el desarrollo de procesos y la producción
• Coste de las materias primas metálicas en polvo
• Operaciones secundarias de acabado
• Instalaciones, infraestructura de manipulación de polvo
• Reducción de residuos en comparación con los procesos sustractivos
• Consolidación de subconjuntos en piezas únicas
• Plazos de desarrollo más cortos que con las técnicas convencionales
• Se vuelve económico en volúmenes de entre 100 y 10.000 piezas
• Máximo ahorro en geometrías complejas que añaden valor

Los fabricantes deben compensar los mayores costes de los equipos de AM con los beneficios de fabricación.

El EBAM comparado con otros procesos

Cada proceso ofrece ventajas específicas en función de la aplicación, el tamaño del lote, las necesidades de precisión y los requisitos de rendimiento.

Perspectivas futuras de la EBAM

El futuro es prometedor para una mayor adopción de EBAM impulsada por:

• Gama más amplia de aleaciones para producción
• Envolventes de construcción más grandes que permiten piezas más grandes
• Mayor velocidad de producción
• Mejor acabado y precisión dimensional
• Costes decrecientes a medida que madura la tecnología
• Mayor automatización del tratamiento previo y posterior
• Sistemas híbridos que integran el mecanizado
• Sistemas avanzados de control durante el proceso
• Cualificación para industrias exigentes como la aeroespacial
• Optimización del diseño aprovechando las capacidades de EBAM

A medida que avance la tecnología, la EBAM transformará la fabricación en una gama cada vez más amplia de industrias.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Qué materiales se utilizan en la EBAM?

Pueden procesarse titanio, aleaciones de níquel, aceros para herramientas, aceros inoxidables, aleaciones de aluminio y metales preciosos.

¿Cuál es la precisión y el acabado de las piezas EBAM?

La precisión dimensional típica es de ±0,3 mm, con una rugosidad superficial en torno a 25-125μm Ra as-built.

¿Qué tratamiento posterior se utiliza para las piezas EBAM?

Pueden utilizarse el tratamiento térmico, el HIP y el mecanizado. También es habitual el recubrimiento por pulverización de plasma.

¿Qué tamaño de piezas puede fabricar EBAM?

Los volúmenes de construcción habituales van desde 500 mm x 500 mm x 500 mm hasta 2 m x 1 m x 1 m para grandes sistemas.

¿Cuáles son las ventajas frente a los métodos sustractivos?

EBAM genera piezas de forma casi neta con menos residuos y consolida los ensamblajes en componentes complejos únicos.

¿Qué sectores utilizan EBAM?

Los sectores aeroespacial, energético, automovilístico, del petróleo y el gas, y médico son los primeros en adoptar el EBAM.

¿Qué conocimientos técnicos se necesitan para manejar los equipos EBAM?

Se requieren técnicos cualificados con experiencia en procesos de lecho de polvo, metalurgia y postprocesamiento.

¿Qué precauciones de seguridad son necesarias?

La ventilación, el equipo de control, el equipo de protección del personal y la manipulación segura del polvo son fundamentales.

¿Cuál es el coste en comparación con la fabricación convencional?

El EBAM resulta rentable en torno a un volumen medio de producción de 100-10.000 unidades para diseños complejos.

¿Puede explicar brevemente el proceso EBAM?

El EBAM deposita polvo metálico en capas que un haz de electrones funde selectivamente capa por capa basándose en datos CAD para construir una pieza.

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