impresora 3d de fusión por haz de electrones
Índice
Visión general de la impresora 3d de fusión por haz de electrones
impresora 3d de fusión por haz de electrones es una tecnología de fabricación aditiva utilizada habitualmente para imprimir piezas metálicas en 3D. Un haz de electrones funde selectivamente polvo metálico capa por capa basándose en un modelo CAD para construir geometrías complejas inigualables por la fabricación convencional.
Las impresoras 3D EBM ofrecen ventajas como la libertad de diseño, la personalización masiva, la reducción de residuos y el aligeramiento. Las principales aplicaciones se encuentran en los sectores aeroespacial, médico, dental y automovilístico. Entre los materiales que se imprimen con sistemas EBM se encuentran el titanio, las aleaciones de níquel, el acero inoxidable, el aluminio y el cromo-cobalto.
Tipos de impresoras 3D EBM
| Impresora | Fabricante | Construir volumen | Espesor de capa | Potencia del haz |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM Spectra H | Aditivos GE | 275 x 275 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q10plus | Aditivos GE | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q20plus | Aditivos GE | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky Inc. | 1500 x 750 x 750 mm | 150 μm | 30-60 kW |
Proceso de impresión EBM
El proceso de impresión EBM funciona del siguiente modo:
- El polvo metálico se distribuye uniformemente en una placa de impresión mediante un mecanismo de rastrillo.
- Un haz de electrones precalienta selectivamente el polvo metálico hasta aproximadamente 80% de su punto de fusión, sinterizando las partículas entre sí.
- El haz de electrones realiza una segunda pasada, fundiendo rápidamente el material según la geometría de la capa
- La placa de impresión desciende y se extiende otra capa de polvo sobre la zona de impresión.
- Los pasos 2-4 se repiten hasta que la pieza completa se construye a partir de capas de metal fundido.
Componentes de hardware de la impresora EBM
Las impresoras EBM contienen los siguientes componentes principales de hardware que permiten el proceso de impresión:
- Pistola de electrones: Genera un haz de electrones focalizado para fundir selectivamente el polvo metálico según los datos CAD introducidos en la impresora. Los electrones se emiten desde un cátodo de filamento de tungsteno y se aceleran hasta alcanzar una alta energía cinética. Los electroimanes enfocan y desvían el haz.
- Manipulación de polvos: Las tolvas de polvo almacenan la materia prima que se rastrilla sobre la placa de impresión antes de cada capa de impresión. El polvo sobrante se recoge y tamiza para su reutilización.
- Tanque de construcción: Cámara sellada en la que la fusión de capas tiene lugar a alta temperatura en vacío. Los elementos calefactores y los escudos térmicos mantienen entornos de hasta 1.000 °C en la zona de fabricación.
- Sistema de control: Permite controlar parámetros de funcionamiento como la velocidad, la potencia del haz, los patrones de escaneado y la temperatura a través del software de interfaz de la impresora. También facilita la carga de modelos CAD.
Materiales imprimibles de EBM
| Material | Tipo | Características | Aplicaciones | Proveedores | Precio |
|---|---|---|---|---|---|
| Aleaciones de titanio | Ti-6Al-4V (grado 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | Excelente relación resistencia/peso, biocompatibilidad, resistencia a la corrosión | Componentes aeroespaciales, implantes y dispositivos médicos | AP&C, Tecnología Carpenter | $350-$500 por kg |
| Aleaciones de níquel | Inconel 718, Inconel 625, Inconel 939 | Resistencia a altas temperaturas, a la corrosión y a la oxidación | Piezas de motores aeroespaciales, equipos de generación de energía | Sandvik | $500-$800 por kg |
| Aceros inoxidables | 316L, 17-4PH, 15-5PH, dúplex | Gran dureza y resistencia al desgaste | Productos alimenticios/médicos, herramientas, automoción | Sandvik, Tecnología LPW | $90-$350 por kg |
| Cromo cobalto | CoCrMo | Excelentes propiedades de resistencia a la fatiga y al desgaste | Cofias y puentes dentales, implantes médicos | Soluciones SLM | $270-$520 por kg |
| Aluminio | AlSi10Mg | Baja densidad, buena conductividad térmica | Soportes aeroespaciales, piezas de automoción | AP&C | $95-$150 por kg |
Ventajas de la impresión 3D EBM
| Parámetro | Beneficio |
|---|---|
| Libertad de diseño | Se pueden imprimir geometrías complejas como celosías o canales internos. |
| Creación rápida de prototipos | Iteraciones creadas en días frente a las semanas de los métodos tradicionales |
| Personalización masiva | La misma impresora puede fabricar diversas piezas personalizadas |
| Alta densidad | Cerca de 100% metal denso con mecánicas cercanas a la fabricación tradicional |
| Mecanizado mínimo | Acabado reducido, ya que la calidad de impresión es bastante buena |
| Reducción de residuos | Utilizar sólo la cantidad de material necesaria frente a los procesos sustractivos |
| Calidad constante | El proceso totalmente automatizado permite la repetibilidad de las construcciones |
| Ventajas económicas | Economías de escala al consolidar el utillaje, el montaje y la logística mediante la consolidación de piezas. |
Limitaciones de la impresión EBM
| Desventaja | Descripción |
|---|---|
| Restricciones geométricas | Ángulos de apoyo limitados en torno a 60° voladizos, espesor mínimo de pared 0,3-0,4 mm |
| Eliminación de polvo | Los canales o volúmenes internos no expuestos al aire exterior pueden haber atrapado polvo |
| Oclusiones de haces | Algunas zonas cóncavas o características internas profundas pueden ser inalcanzables para el haz de electrones |
| Tensiones térmicas | El calentamiento/enfriamiento rápido durante el procesado puede inducir el agrietamiento debido a los gradientes térmicos |
| Tratamiento posterior | Algunas operaciones de acabado secundarias siguen siendo necesarias para obtener superficies más lisas o tolerancias más estrictas. |
| Limitaciones del tamaño de construcción | No se pueden imprimir componentes mayores que las dimensiones del sobre de la impresora |
| Alto coste de los equipos | Impresoras $500.000+, limitan la adopción por parte de pequeñas empresas y usuarios particulares |
Desglose de costes
A continuación se muestra una comparación de costes de fabricación de cofias dentales cromadas de 10 cobaltos en una impresora EBM de Arcam:
| Gastos | Total ($) | Por unidad ($) |
|---|---|---|
| Depreciación de impresoras | $2,000 | $200 |
| Material (polvo de CoCrMo) | $1,500 | $150 |
| Trabajo | $100 | $10 |
| Total | $3,600 | $360 |
En cambio, subcontratar la fabricación de patrones de cera + la fundición a la cera perdida para 10 unidades costaría $600 por unidad, por lo que la EBM ofrece una importante reducción de costes por unidad, especialmente en volúmenes más elevados.
impresora 3d de fusión por haz de electrones Proveedores
Algunos de los principales fabricantes de equipos de impresión EBM y proveedores de materiales de polvo metálico son:
| Empresa | Ubicación de la sede | Modelos de impresora ofrecidos | Materiales subvencionados |
|---|---|---|---|
| Aditivos GE | Canadá | Arcam EBM Spectra, Serie Q | Ti-6-4, Inconel, CoCr, etc. |
| Sciaky Inc. | Estados Unidos | Serie EBAM 300 | Aleaciones de titanio, aceros, aluminio |
| Soluciones SLM | Alemania | N/A | CoCr, acero inoxidable, más |
| Tecnología Carpenter | Estados Unidos | N/A | Ti-6-4, aleaciones Inconel, aceros inoxidables |
| Tecnología LPW | Reino Unido | N/A | Aleaciones de níquel, polvos de aleaciones de aluminio |
| Sandvik | Suecia | N/A | Polvos metálicos Osprey® para EBM |
El coste medio del sistema oscila entre $500.000 y $1 millón, incluidos los equipos auxiliares como las estaciones de eliminación de polvo. Los materiales oscilan entre $100 por kg de aluminio y $800 por kg de superaleaciones especiales de níquel.
impresora 3d de fusión por haz de electrones Normas y certificaciones
Entre las principales normas relacionadas con la calidad, las especificaciones y el control de procesos de los sistemas de fusión por haz de electrones se incluyen:
| Estándar | Descripción |
|---|---|
| ISO 17296-2 | Fabricación aditiva de metales - Proceso, materiales y geometrías |
| ASTM F2971 | Práctica estándar para la producción de piezas metálicas mediante EBM |
| ASTM F3184 | Norma para la cualificación del hardware de EBM |
| ASME BPVC Sec II-C | Define las especificaciones de los materiales EBM aprobados |
Tanto el hardware de EBM como el sistema de calidad del fabricante pueden estar certificados según la norma ISO 9001. Para aplicaciones aeroespaciales se aplican especificaciones adicionales como AS9100D.
Fusión por haz de electrones frente a la AM de otros metales
| Parámetro | Fusión por haz de electrones | Fusión de lecho de polvo láser | Deposición de energía dirigida |
|---|---|---|---|
| Fuente de calor | Haz de electrones acelerado | Láser de fibra de Yb de alta potencia | Láser focalizado o haz electrónico |
| Atmósfera | Vacío | Gas inerte | Aire o gas inerte |
| Método de exploración | Punto focal de rasterización | Rasterización del punto láser enfocado | Rasterización o punto único |
| Tasa de deposición | 4-8 cm$^3$/hora | 4-20 cm$^3$/hora | 10-100 cm$^3$/hora |
| Precisión | ± 0,1-0,3 mm o ± 0,002 mm/mm | Hasta ±0,025 mm o ±0,002 mm/mm | > 0,5 mm |
| Acabado superficial | 15 μm Ra, 50 μm Rz | Rugosidad de hasta 15 μm | Rugosidad > 25 μm |
| Costo por pieza | Medio | Medio | Más bajo |
Aplicaciones de impresora 3d de fusión por haz de electrones
Gracias a su capacidad para producir geometrías complejas en diversos metales de alto rendimiento, la fusión por haz de electrones se utiliza en sectores como:
Aeroespacial: El aligeramiento de los componentes aeroespaciales, como los soportes y puntales de titanio y aleaciones de níquel, permite ahorrar combustible. El EBM también permite consolidar canales de conducción de fluidos y elementos de montaje en piezas únicas.
Médico y dental: Los implantes de cromo-cobalto y titanio con superficies porosas que favorecen la osteointegración pueden adaptarse a la anatomía del paciente mediante EBM. Importante personalización y reducción de residuos frente a los tamaños y formas de implantes tradicionales.
Automóvil: El aligeramiento de piezas como las tapas de válvulas de aluminio o titanio y las pinzas de freno reduce el peso del vehículo para mejorar el ahorro de combustible. Las series cortas de llantas de turbocompresor personalizadas optimizadas para aplicaciones de competición también son económicamente viables.
Herramientas: Los canales de refrigeración conformados pueden integrarse en las herramientas de moldeo por inyección para acelerar los tiempos de ciclo. La EBM permite realizar entre 10 y 20 iteraciones de diseño de canales de refrigeración, mientras que los métodos convencionales requieren semanas.
Preguntas frecuentes
| Pregunta | Respuesta |
|---|---|
| ¿Cómo se compara la precisión de las piezas entre la EBM y los procesos de fabricación tradicionales? | La precisión dimensional y las tolerancias de ±0,1 mm son posibles para la EBM, comparables a los límites de fundición y forja. El mecanizado CNC puede conseguir tolerancias más estrictas de ±0,01 mm si es necesario. |
| ¿Requiere el acabado superficial rugoso EBM as-printed un tratamiento posterior? | Sí, el efecto de escalera de capas suele provocar una rugosidad de 10-15 μm. El volteo, pulido, granallado o mecanizado proporciona acabados más suaves de hasta 0,5 μm si es necesario. |
| ¿Puede utilizarse cualquier aleación metálica para la EBM o algunas composiciones no son adecuadas? | Las aleaciones propensas al agrietamiento en estado sólido por tensiones térmicas pueden resultar difíciles: deben evitarse los coeficientes de dilatación muy elevados, superiores a 15 μm/(m ̊C). |
| ¿Cuál es la principal diferencia entre los procesos de fusión en lecho de polvo por láser y por haz de electrones? | Los láseres ofrecen velocidades de fabricación más rápidas, de hasta 100 cm$^3$/h, pero la potencia máxima del haz está limitada a 1 kW. Los haces electrónicos más potentes, de 8-60 kW, permiten una penetración más profunda en metales densos con una mayor eficiencia energética. |
Resumen
La fusión por haz de electrones utiliza un haz de electrones concentrado de alta potencia en el vacío para fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa hasta formar piezas totalmente densas. Las impresoras 3D EBM construyen geometrías muy complejas que ninguna otra tecnología puede igualar, lo que hace posible la personalización, el aligeramiento y la consolidación de piezas en sectores que van desde los dispositivos médicos hasta los componentes aeroespaciales. Aunque los volúmenes máximos de impresión son limitados en comparación con otras técnicas aditivas de metal o convencionales, la fusión por haz de electrones abre nuevas posibilidades de diseño y enfoques de fabricación ágiles que antes no eran factibles.
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