Fabricación por haz de electrones

Fabricación por haz de electrones se refiere a un proceso de fabricación aditiva que utiliza un haz concentrado de electrones de alta energía para fundir y fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa para fabricar directamente componentes 3D complejos.

También conocido como fusión por haz de electrones (EBM) o fusión de lecho de polvo por haz de electrones, el proceso ofrece capacidades como la velocidad de fabricación, las propiedades de los materiales, el acabado superficial y la libertad geométrica que no tienen parangón en las rutas de fabricación tradicionales.

Esta guía ofrece una visión general de la fabricación por haz de electrones que abarca las capacidades del proceso, los materiales, las aplicaciones, los proveedores de sistemas, las comparaciones de ventajas y desventajas y las preguntas más frecuentes a la hora de plantearse su adopción.

Visión general del proceso de fabricación por haz de electrones

• El polvo metálico se esparce uniformemente sobre la placa de impresión
• El haz de electrones recorre trayectorias definidas fusionando el polvo
• Placa de índices hacia abajo, nueva capa extendida en la parte superior
• El precalentamiento térmico mantiene la temperatura del proceso
• Cámara al vacío durante la construcción
• Apoya la estructura cuando es necesario
• Piezas finales recortadas y acabadas según sea necesario

Los haces de electrones ofrecen una penetración más rápida y profunda que los láseres en los materiales conductores, lo que permite mayores velocidades de fabricación con menos tensión residual.

Materiales utilizados en la fabricación por haz de electrones

Se procesa una amplia gama de aleaciones, cada una optimizada para la química y la distribución del tamaño de las partículas:

Material	Aleaciones comunes	Visión general
Aleación de titanio	Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI	Mezclas de grado aeroespacial de alta resistencia y bajo peso
Aleación de níquel	Inconel 718, 625, Haynes 282	Superaleaciones resistentes al calor y la corrosión para turbinas
Cromo cobalto	CoCrMo	Aleación biocompatible y resistente al desgaste para implantes
Acero inoxidable	17-4PH, 316L, 304L	Alta resistencia a la corrosión
Acero para herramientas	H13, acero martensítico envejecido	Extrema dureza/resistencia al desgaste
Aleación de aluminio	Scalmalloy	Velocidades de solidificación rápidas a medida

Ventajas como el control de la estructura del grano y de los defectos favorecen la mejora de las propiedades mecánicas.

Características y tolerancias

Además de las propiedades de aleación a medida, las capacidades clave del proceso incluyen:

Atributo	Descripción
Acabado superficial	Rugosidad tan baja como 5 μm, suficientemente lisa para el uso final en función de la geometría, sin necesidad de acabado.
Resolución de características	Detalles finos de hasta ~100 μm compatibles con los parámetros del proceso
Precisión	± 0,2% con desviación de 50 μm sobre dimensiones de pieza de 100 mm
Densidad	Más del 99,8% del máximo teórico, el más alto de los métodos de AM metálica
Tamaño del edificio	Componentes de más de 1.000 mm de longitud viables, en función del modelo de sistema
Creación de prototipos	Capaz de producir lotes individuales o pequeños, ideal para modelos de ingeniería que requieren metales
Producción	Las industrias aeroespacial y médica empiezan a certificar el proceso de producción de piezas de uso final

Su consistencia y calidad permiten aplicaciones de gran demanda.

Fabricación por haz de electrones Aplicaciones

Industria	Utiliza	Ejemplos de componentes
Aeroespacial	Componentes estructurales, piezas de motor	Palas, bastidores y soportes de turbinas
Médico	Implantes ortopédicos, herramientas quirúrgicas	Implantes de cadera, rodilla, cráneo, abrazaderas
Automoción	Componentes ligeros de alto rendimiento	Ruedas de turbina, colectores
Industrial	Producción de metales de uso final	Brazos robóticos ligeros, piezas de manipulación de fluidos

Otros usos especializados aprovechan las sinergias de diseño, material y rendimiento.

Fabricantes de sistemas y precios

Fabricante	Descripción	Precio base
Arcam (GE)	Pioneros con diversos modelos de sistemas de MBE	$1,5M - $2M
Velo3D	Los sistemas avanzados prometen detalles más precisos y construcciones más altas	$$$$
Jeol	Investigación y producción a pequeña escala	$$$

Los gastos operativos en materiales, argón y electricidad pueden oscilar entre $100 y $1000+ al día, en función de la construcción.

Ventajas del haz de electrones frente a otros procesos

Pros:

• Mayor velocidad de producción que la fusión láser en lecho de polvo
• Menor tensión residual que los métodos láser
• Precisión y acabado superficial excepcionales
• Material de entrada de gran pureza para las propiedades
• Alto potencial de volúmenes de producción futuros

Contras:

• Aún en fase de maduración en comparación con otras tecnologías de lecho de polvo
• Capacidad de tamaño no tan grande como los métodos láser
• La disponibilidad de material sigue aumentando
• Mayor coste de propiedad de los equipos
• Restricciones en torno a geometrías que requieren apoyo

Para las aplicaciones adecuadas, un potencial de rendimiento incomparable.

Preguntas frecuentes

¿Qué determina el tamaño máximo de las piezas?

El área máxima de escaneado del modelo de sistema, las limitaciones de la estrategia de escaneado, las tensiones térmicas, las restricciones de esparcimiento del polvo y el número de componentes definen las capacidades de tamaño hasta ~800 mm de longitud probadas.

¿Cómo afecta el proceso a las propiedades del material?

Las rápidas velocidades de enfriamiento de los perfiles térmicos controlados imparten microestructuras finas que mejoran la resistencia. Los parámetros se equilibran con las tensiones residuales.

¿Qué determina la capacidad de acabado superficial?

El tamaño del punto, la potencia del haz, la estrategia de escaneado, el grosor de la capa de polvo subsiguiente, la contaminación por partículas y las influencias del gradiente térmico se combinan para permitir una calidad excepcional de la superficie fabricada.

¿Qué precauciones de seguridad son necesarias?

Además de las protecciones para la manipulación del polvo, los sistemas de haces de electrones requieren salas certificadas con blindaje de jaula de Faraday, enclavamientos de seguridad, cálculo del tiempo máximo de exposición por ocupación.

¿Cuáles son los pasos típicos del postprocesado?

Para el acabado de los componentes suelen emplearse procesos posteriores como el prensado isostático en caliente para reducir la porosidad, tratamientos térmicos para mejorar las prestaciones mecánicas y el mecanizado sustractivo.

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