Impresión 3D de fusión por haz de electrones

Visión general

La impresión 3D por fusión por haz de electrones es una tecnología de fabricación aditiva que utiliza un haz de electrones como fuente de energía para fundir y fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa para fabricar piezas 3D complejas.

En comparación con otros métodos de impresión 3D de metal, la EBM ofrece distintas ventajas, como excelentes propiedades mecánicas, altas tasas de construcción, beneficios de procesamiento al vacío e idoneidad para materiales reactivos. Sin embargo, el alto costo del equipo y las limitadas opciones de materiales han limitado el uso de EBM a aplicaciones exigentes en los sectores aeroespacial, médico y automotriz.

Esta guía completa cubre la tecnología, los procesos, los materiales, las aplicaciones, los fabricantes de sistemas, los costos, las ventajas/limitaciones y otras preguntas frecuentes de EBM para ayudar a los fabricantes a evaluar si EBM es la solución de fabricación aditiva de metales adecuada para sus necesidades.

Cómo Impresión 3D por fusión de haz de electrones Obras

La impresión EBM implica los siguientes pasos clave:

Preparación del modelo 3D

• Modelo CAD optimizado para EBM: espesores de pared, soportes, orientación, etc.

Conversión de archivos a .STL

• Geometría CAD convertida en facetas triangulares. Archivo STL

Configuración de la máquina

• Entrada de parámetros de construcción: velocidad, potencia, compensación de enfoque, etc.
• Material cargado, parámetros ajustados según las propiedades del polvo.

Rastrillo de pólvora

• El polvo se rastrilla uniformemente sobre la plataforma de construcción en capas controladas.

Fusión por haz de electrones

• El haz de electrones enfocado funde selectivamente el polvo para formar cada capa
• El ambiente de vacío previene la oxidación.

Bajada de plataforma

• Después de que se derrita una capa, la plataforma se indexa hacia abajo según el espesor de la capa.
• Nueva capa de polvo esparcida sobre la capa anterior.

Eliminación de la máquina

• Exceso de polvo eliminado de las piezas construidas
• Estructuras de soporte separadas
• Postprocesamiento realizado si es necesario

El proceso de construcción capa por capa permite geometrías intrincadas y optimizadas con excelentes propiedades.

Materiales para la impresión 3D EBM

EBM es compatible con una variedad de aleaciones metálicas:

Material	Propiedades clave	Aplicaciones
Aleaciones de titanio	Relación de alta resistencia y bajo peso	Aeroespacial, implantes médicos
Superaleaciones de níquel	Resistencia al calor y a la corrosión	Álabes de turbina, toberas de cohete
cromo cobalto	Biocompatibilidad, alta dureza.	Implantes dentales, dispositivos médicos.
Aceros para herramientas	Excelente resistencia al desgaste	Herramientas de corte, moldes, troqueles.
Aceros inoxidables	Resistencia a la corrosión, alta ductilidad	Bombas, válvulas, recipientes.

Se pueden imprimir aleaciones estándar y personalizadas optimizadas para EBM. Es necesario ajustar los parámetros para que los nuevos materiales alcancen las propiedades deseadas.

Proveedores de Máquina EBM

Los principales fabricantes de equipos EBM incluyen:

Proveedor	Modelos clave de máquinas	Construir la envoltura
Arcam EBM (aditivo GE)	Arcam A2X, Q10plus, Espectros H, Espectros L	254x254x380mm
Velo3D	Zafiro	250x250x300mm
Raycham	EBAM 300	300x300x300mm
sciaky	EBAM 110	1100x1100x900mm
JEOL	JEM-ARM300F	300x300x300mm

Arcam EBM fue pionero en sistemas comerciales de EBM. Otros proveedores han entrado más recientemente, ampliando sus capacidades de material y tamaño.

Especificaciones

Especificaciones típicas del sistema EBM:

Parámetro	Especificación
potencia del haz	Hasta 12 kilovatios
Tensión de aceleración	60 kilovoltios
Corriente del haz	Hasta 40 mA
Tamaño del haz	200 micras mínimo
Velocidad de exploración	Hasta 8000 m/s
Desplazamiento del foco	Automático, ajustable 0-5 mm
Vacío	5 x 10-4 mbar
Grosor de la capa	50-200 μm
Tamaño máximo de construcción	1100x1100x900mm
Repetibilidad	± 0,2% de altura de construcción

Una mayor potencia y un enfoque más preciso proporcionan piscinas de fusión más nítidas y una mejor resolución de las funciones. Los sobres de construcción más grandes facilitan la producción por lotes.

Principios de diseño de la EBM

Principios clave del diseño de piezas EBM:

• Minimizar las superficies sin soporte para evitar la distorsión.
• Utilice ángulos autoportantes superiores a 45° para evitar soportes.
• Diseñar canales internos para la eliminación de polvo no derretido.
• Tiene en cuenta una contracción de ~20% en comparación con las dimensiones finales de la pieza
• Incluye texturizado para mejorar el flujo del polvo en áreas intrincadas.
• Coloque las piezas para un calentamiento uniforme y un embalaje eficiente.
• Diseñar estructuras para minimizar el polvo atrapado.
• Mantenga los salientes por encima de 30° para evitar goteos
• Utilice soportes de celosía conformes cuando sea necesario

La libertad de diseño de EBM permite consolidar conjuntos en piezas monolíticas ligeras y optimizadas.

Aplicaciones de la MBE

La EBM es ideal para:

Aeroespacial y automotriz:

• Álabes de turbina, inyectores de combustible, marcos estructurales, recintos intrincados

Médico:

• Implantes ortopédicos, prótesis y herramientas quirúrgicas que requieren biocompatibilidad.

Industrial:

• Componentes de robótica ligeros, piezas de manipulación de fluidos sujetas a corrosión.

Defensa:

• Componentes duraderos y personalizados, como canales de refrigeración y soportes.

I+D:

• Nuevas aleaciones, compuestos de matriz metálica y estructuras reticulares.

La combinación de libertad de diseño, propiedades de ingeniería y economía de fabricación de EBM lo convierten en el proceso elegido para aplicaciones críticas.

Análisis de costes

El sistema EBM y el costo de producción de piezas dependen de:

Compra de maquina

• ~$800,000 para máquinas de producción de tamaño mediano
• Inversión multimillonaria para grandes sistemas

Costo material

• El polvo puede oscilar entre $100-500/kg
• Algunas aleaciones como la Ti64 tienen precios superiores

Costo de operacion

• Costo promedio de la máquina ~$50-150/hora
• Mano de obra para pre/post procesamiento

Tamaño de la pieza

• Las piezas más grandes requieren más material y tiempo de construcción
• Las piezas pequeñas se pueden anidar para mayor eficiencia.

Tratamiento posterior

• Tratamiento térmico, CNC y acabado aumentan los costos

Costo total por pieza

• Piezas pequeñas ~ $20-$50 por pulgada cúbica
• Piezas grandes ~$5-$15 por pulgada cúbica

Una mayor utilización a través de la producción por lotes y el anidamiento reduce el costo por pieza.

Control y optimización de procesos

Parámetros críticos del proceso a controlar:

• Potencia – Influye en el tamaño del baño de fusión, la penetración y la tasa de construcción.
• Velocidad – Resolución de impactos, acabado superficial, formas de depósito.
• Desplazamiento del foco – Controla la forma del haz, la penetración y los defectos.
• Grosor de la capa – Determina la resolución del eje Z y el tiempo de construcción.
• Distancia entre escotillas – Ajustar para lograr la densidad requerida, evitar que se formen bolitas
• Estrategia de exploración – Los patrones unidireccionales, de isla y de contorno afectan las tensiones residuales y la distorsión.
• Precalentar – Mejora la sinterización del polvo, reduce el agrietamiento y la deformación.

El diseño de experimentos combinado con estudios de piscinas fundidas y caracterización microestructural informan la selección de parámetros para lograr las propiedades deseadas.

Tratamiento posterior

Pasos típicos de posprocesamiento de EBM:

• Eliminación – Desempolvado para separar piezas de la placa de construcción.
• Eliminación de soportes – Cortar las estructuras de soporte si es necesario
• Alivio del estrés – Tratamiento térmico para evitar grietas.
• Acabado de superficies – Mecanizado, rectificado, pulido para mejorar el acabado.
• Prensado isostático en caliente – Aplica calor y presión para cerrar los poros residuales y mejorar la densidad.
• Inspección – Confirmar dimensiones, composición del material, defectos.

Minimizar los soportes y el posprocesamiento es una consideración clave durante el diseño de piezas EBM.

Calificación y Certificación

Las piezas EBM destinadas a industrias reguladas requieren:

• Pruebas según estándares aplicables como ASTM F2924, ASTM F3001, etc.
• Inspección metrológica exhaustiva para dimensiones críticas y calidad de superficie
• Análisis de composición de materiales mediante análisis químico, caracterización de microestructura.
• Evaluación de propiedades mecánicas como pruebas de tracción, fatiga y tenacidad a la fractura.
• Inspección no destructiva mediante tomografía de rayos X, pruebas de líquidos penetrantes, etc.
• Documentación de trazabilidad completa del polvo, parámetros de construcción, posprocesamiento, etc.
• Cualificación y certificación formal de la parte por parte de organismos pertinentes.

Seguir los protocolos y estándares establecidos garantiza que las piezas cumplan con las estrictas demandas de calidad.

EBM en comparación con otros metales AM

Ventajas de la MBE

• Excelentes propiedades del material gracias a un enfriamiento más rápido
• Alta productividad y bajo coste por pieza.
• Se necesitan estructuras de soporte mínimas
• No se ve afectado por tensiones residuales y distorsión.
• El ambiente de vacío previene la oxidación.
• gradientes térmicos más bajos frente a procesos láser

Limitaciones

• Solo materiales conductores, opciones de materiales limitadas actualmente
• Más restricciones geométricas que la AM láser
• El acabado de superficies rugosas a menudo requiere un posmecanizado
• El costo del equipo es más alto que el de los sistemas láser.

Implementación exitosa de la EBM

Claves para la adopción de la EBM:

• Evalúe los requisitos de la aplicación de piezas frente a las capacidades de EBM
• Evaluar la utilización esperada de la máquina para determinar el retorno de la inversión (ROI)
• Tener en cuenta el tiempo/costo de posprocesamiento durante la planificación
• Asóciese con oficinas de servicios experimentadas para minimizar la curva de aprendizaje
• Aproveche la experiencia en diseño de EBM para rediseñar piezas y lograr una capacidad de fabricación óptima
• Graduarse de la creación de prototipos a la producción en serie para maximizar la productividad.
• Implementar protocolos sólidos de certificación y gestión de calidad.

Un enfoque de implementación holístico permite a las empresas aprovechar los beneficios de la EBM y convertirse en líderes de producción.

Preguntas frecuentes

¿Qué materiales se utilizan en la MBE?

Son comunes las aleaciones de titanio, superaleaciones de níquel, aceros para herramientas, cromo-cobalto y aceros inoxidables. Se pueden imprimir aleaciones estándar y personalizadas optimizadas para EBM.

¿Cómo se compara el costo de la EBM con el de otros procesos de fabricación aditiva de metales?

Las máquinas EBM y la materia prima en polvo son más caras que los sistemas AM basados en láser. Pero mayores tasas de construcción y productividad pueden compensar esto en aplicaciones de producción.

¿Cuáles son algunas de las diferencias clave entre la EBM y la fusión selectiva por láser?

Las tasas de construcción más rápidas, el funcionamiento a temperatura elevada y las excelentes propiedades de los materiales diferencian a la EBM, mientras que las limitaciones en el acabado de la superficie y la libertad geométrica son las principales desventajas.

¿Qué tipos de posprocesamiento se requieren normalmente para las piezas EBM?

Son comunes la eliminación de soportes, el tratamiento térmico para aliviar tensiones, el prensado isostático en caliente y el acabado de superficies como el mecanizado CNC. Minimizar los soportes durante el diseño reduce el posprocesamiento.

¿Qué tamaño de piezas se pueden construir utilizando la tecnología EBM?

Los sistemas de sobremesa pequeños tienen volúmenes de construcción inferiores a 100 mm cúbicos, mientras que los sistemas de producción grandes pueden acomodar piezas de más de un metro de tamaño. El tamaño máximo se está ampliando con las nuevas máquinas de gran formato.

Conclusión

Las capacidades únicas de fusión rápida de EBM permiten fabricar componentes metálicos complejos con propiedades y productividad inigualables. Si bien los costos de los equipos y las opciones de materiales han restringido la adopción hasta ahora, los avances continuos están abriendo nuevas aplicaciones en los sectores aeroespacial, médico, de defensa, automotriz y energético. El futuro de EBM es brillante a medida que la calidad y confiabilidad de las piezas continúan mejorando mientras que los polvos metálicos se vuelven más disponibles y asequibles. Los fabricantes informados que aprovechan las ventajas de la EBM y al mismo tiempo tienen en cuenta sus limitaciones están preparados para alterar a los tradicionales y convertirse en nuevos líderes.

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