Tecnología de fusión por haz de electrones

Fusión por haz de electrones (EBM) es una tecnología de fabricación aditiva utilizada habitualmente para la impresión 3D de metales. La EBM utiliza un potente haz de electrones como fuente de calor para fundir y fusionar selectivamente polvos metálicos capa a capa y construir piezas totalmente densas directamente a partir de datos CAD.

En comparación con otros métodos de impresión 3D en metal, como los procesos basados en láser, la EBM ofrece algunas ventajas únicas en términos de velocidad de fabricación, propiedades del material, calidad y rentabilidad. Sin embargo, también tiene algunas limitaciones en cuanto a resolución, acabado superficial y opciones de material.

Esta guía proporciona una visión detallada de la tecnología de fusión por haz de electrones, incluyendo:

• Cómo funciona la MBE
• Tipos de equipos y componentes principales
• Materiales y aplicaciones
• Consideraciones sobre el diseño
• Parámetros del proceso
• Ventajas y limitaciones
• Comparación de proveedores
• Directrices de funcionamiento
• Análisis de costes
• Elegir el sistema de MBE adecuado

Cómo funciona la fusión por haz de electrones

El proceso EBM tiene lugar en una cámara de alto vacío llena de gas argón inerte. El polvo metálico se esparce en finas capas por una plataforma de construcción mediante rastrillos. Se utiliza un haz de electrones de un cañón de electrones para fundir y fusionar selectivamente regiones de cada capa de polvo según los datos de corte de un modelo CAD.

La plataforma de construcción desciende gradualmente con cada nueva capa. Las piezas se construyen directamente sobre la plataforma sin necesidad de estructuras de soporte debido a la naturaleza independiente de la geometría de la fusión del lecho de polvo. Una vez terminada, se retira el exceso de polvo para revelar la pieza sólida impresa en 3D.

La alta densidad de energía del haz de electrones provoca una fusión y solidificación rápidas, lo que permite altos índices de fabricación. El proceso EBM tiene lugar a temperaturas elevadas de hasta 1.000 °C, lo que reduce las tensiones residuales y la distorsión.

Las piezas impresas con EBM alcanzan una densidad superior a 99%, con propiedades de material comparables o superiores a las de la fabricación tradicional.

Tipos de equipos y componentes de EBM

Los sistemas EBM constan de los siguientes componentes principales:

Pistola de electrones - genera un haz concentrado de electrones de alta energía

Control del haz - los electroimanes guían y desvían el haz de electrones

Fuente de alimentación de alta tensión - acelera electrones hasta 60 kV

Cámara de vacío - proporciona un entorno de alto vacío

Dispensación de polvo - deposita y extiende capas de polvo metálico

Polvo casetes/hoppers - almacenar y entregar polvo

Construir una plataforma - disminuye progresivamente a medida que se construyen capas

Serpentines de calefacción - precalienta el lecho de polvo hasta 1000°C

Consola de control - ordenador y programas informáticos para el funcionamiento del sistema

Existen algunas variantes de máquinas comerciales de EBM:

Los envolventes de mayor tamaño y la mayor potencia del haz permiten construcciones más rápidas, piezas más grandes y una mayor productividad. Las máquinas más pequeñas suelen tener una resolución y unos acabados superficiales más finos.

Materiales y aplicaciones de EBM

Los materiales más utilizados en EBM son:

• Aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V
• Superaleaciones a base de níquel como Inconel 718, Inconel 625
• Aleaciones de cobalto-cromo
• Aceros para herramientas como H13, acero martensítico envejecido
• Aleaciones de aluminio
• Aleaciones de cobre
• Aceros inoxidables como 17-4PH, 316L

Entre las principales aplicaciones de la MBE figuran las siguientes

• Aeroespacial: álabes de turbina, impulsores, soportes estructurales
• Medicina: implantes ortopédicos, prótesis
• Automoción - componentes para deportes de motor, utillaje
• Industrial: piezas de conducción de fluidos, intercambiadores de calor
• Herramientas: moldes de inyección, fundición a presión, matrices de extrusión

Entre las ventajas de la MBE para estas aplicaciones se incluyen:

• Gran solidez y resistencia a la fatiga
• Geometrías complejas con celosías y canales internos
• Plazos de entrega cortos para piezas metálicas
• Consolidación de conjuntos en una sola pieza
• Aligeramiento y optimización del diseño
• Personalización de piezas

Consideraciones de diseño de EBM

La MBE impone algunas restricciones de diseño:

• Espesor mínimo de pared de 0,8-1 mm para evitar el colapso
• Sin socavones ni salientes horizontales
• 45° máx. de voladizo no soportado
• Canales internos abiertos de 1 mm de diámetro como mínimo
• Características finas limitadas a una resolución de 0,5-1 mm

Los diseños deben evitar gradientes térmicos pronunciados para minimizar la tensión residual:

• Espesor de pared uniforme
• Transiciones graduales en el grosor de la sección
• Soportes interiores y celosías para grandes volúmenes

El tratamiento posterior, como el mecanizado, el taladrado y el pulido, puede mejorar el acabado superficial.

Parámetros del proceso EBM

Parámetros clave del proceso de EBM:

• Haz de electrones - Corriente del haz, enfoque, velocidad, patrón
• Polvo - Material, grosor de la capa, tamaño de las partículas
• Temperatura - Precalentamiento, tiempo de construcción, estrategia de exploración
• Velocidad - Distancia entre puntos, velocidad de contorno, velocidad de eclosión

Estos parámetros controlan propiedades como la densidad, la precisión, el acabado superficial y la microestructura:

Se requiere un ajuste preciso de estos parámetros para conseguir unas propiedades de material y una precisión óptimas para cada aleación.

Ventajas de la fusión por haz de electrones

Los beneficios clave de la EBM incluyen:

• Alta velocidad de producción: hasta 80 cm3/h posible
• Piezas totalmente densas: densidad superior a 99%
• Excelentes propiedades mecánicas: resistencia, dureza, resistencia a la fatiga
• Alta precisión y repetibilidad: precisión de ±0,2 mm
• Mínimos soportes necesarios - reduce el postprocesado
• Construye a alta temperatura - reduce la tensión residual
• Baja contaminación - entorno de vacío de alta pureza

Las rápidas velocidades de escaneado dan lugar a rápidos ciclos de fusión y solidificación, creando microestructuras de grano fino. El método de construcción por capas produce piezas con propiedades comparables a las del forjado.

Limitaciones de la fusión por haz de electrones

Entre los inconvenientes de la MBE se incluyen:

• Resolución limitada - tamaño mínimo de la característica ~0,8 mm
• Acabado rugoso de la superficie - efecto escalonado, requiere acabado
• Materiales restringidos - principalmente aleaciones de Ti, aleaciones de Ni, CoCr actualmente
• Elevado coste de los equipos - de $350.000 a $1 millón+ por máquina
• Tiempos de precalentamiento lentos: 1-2 horas para alcanzar la temperatura de construcción
• Riesgo de contaminación - el circonio puede contaminar las aleaciones reactivas
• Gestión de polvos: reciclado, manipulación de polvos finos
• Requerimientos de línea de visión - no son posibles los voladizos horizontales

La estructura anisotrópica en capas y el efecto "escalonado" de las capas de polvo sinterizado crean estrías visibles en las superficies orientadas hacia arriba. El haz de electrones solo puede fundir material en línea directa.

Proveedores de Máquina EBM

Los principales fabricantes de equipos EBM incluyen:

Los sistemas de EBM de Arcam tienen las capacidades de materiales más amplias, mientras que Sciaky ofrece soluciones de producción a gran escala. SLM Solutions y JEOL también ofrecen tecnología de EBM centrada en metales.

Sistemas EBM operativos

Para manejar una máquina EBM:

1. Instale el equipo EBM con la potencia, refrigeración, gas inerte y ventilación de escape adecuados.
2. Carga de datos CAD e introducción de parámetros de construcción en el software EBM
3. Tamizar y cargar el polvo metálico en casetes
4. Precalentamiento del lecho de polvo a la temperatura de proceso
5. Calibrar el enfoque y la potencia del haz de electrones
6. Comienza la construcción por capas mientras el haz escanea y funde el polvo.
7. Deje que las piezas se enfríen lentamente antes de retirarlas de la máquina
8. Eliminar el exceso de polvo mediante aspiración
9. Cortar piezas de la placa de impresión y realizar el postprocesamiento

La manipulación y el almacenamiento adecuados del polvo son fundamentales para evitar la contaminación que puede causar defectos. También es esencial el mantenimiento regular del filamento del haz, los filtros de polvo y el sistema de vacío.

Análisis de costes de procesamiento de EBM

Factores de coste de la producción de EBM:

• Amortización de máquinas - ~15-20% del coste total de la pieza
• Trabajo - funcionamiento de la máquina, tratamiento posterior
• Polvo - $100-500/kg para aleaciones de titanio
• Potencia - elevado consumo de electricidad durante la construcción
• Argón - consumo diario de gas de purga
• Mantenimiento - fuente de haz, sistema de vacío, rastrillos
• Tratamiento posterior - eliminación de soportes, acabado de superficies

Se pueden conseguir economías de escala agrupando piezas más pequeñas en una sola fabricación. Las máquinas más grandes producen piezas más rápido y de forma más rentable. El elevado coste inicial del sistema se reparte entre más piezas.

Para la producción de bajo volumen, la subcontratación a una empresa de servicios minimiza los gastos generales del equipo.

Cómo elegir un sistema de MBE

Consideraciones clave para seleccionar una máquina de EBM:

• Construir la envoltura - coincidencia con los requisitos de tamaño de las piezas
• Precisión - tamaño mínimo de las características y necesidades de acabado superficial
• Materiales - aleaciones necesarias para las aplicaciones
• Rendimiento - objetivos diarios/mensuales de volumen de producción
• Requisitos de potencia - capacidad de suministro eléctrico disponible
• Software - facilidad de uso, flexibilidad, formatos de datos
• Tratamiento posterior - tiempo y costes de acabado
• Formación y apoyo - instalación, funcionamiento, mantenimiento
• Coste total - precio del sistema, gastos de explotación, polvo

Realización de pruebas de fabricación de piezas de muestra en distintos sistemas de EBM para evaluar la calidad y la rentabilidad reales de las piezas.

Invierta en el mayor paquete de construcción que se ajuste al presupuesto y a las limitaciones de espacio para permitir futuras ampliaciones. Asóciate con un proveedor de confianza que pueda ofrecer asistencia técnica continua.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Qué grado de precisión tiene la MBE?

R: La precisión dimensional y las tolerancias de ±0,2 mm son típicas de las piezas EBM. Es posible obtener características finas de hasta 0,3 mm.

P: ¿Qué materiales pueden emplearse en EBM además de los metales?

R: La EBM se limita a las aleaciones metálicas conductoras. Los fotopolímeros y la cerámica no pueden procesarse actualmente debido a la fuente de energía del haz de electrones.

P: ¿La EBM requiere algún soporte?

R: La EBM no requiere estructuras de soporte para voladizos inferiores a 45° debido a la naturaleza independiente de la geometría de la fusión en lecho de polvo. Los soportes internos mínimos pueden ser útiles para secciones huecas de gran tamaño.

P: ¿Cuál es el acabado superficial?

R: Las piezas EBM fabricadas tienen superficies relativamente rugosas debido a las capas de polvo y a las huellas de escaneado. Para mejorar el acabado superficial, es necesario realizar diversas operaciones de mecanizado, esmerilado o pulido.

P: ¿Es cara la EBM en comparación con otros procesos de impresión 3D?

R: Los equipos de EBM tienen un coste inicial más elevado, de $350.000 a más de $1 millón. Pero la alta velocidad de fabricación puede compensarlo reduciendo el coste de las piezas a escala. El coste del proceso por pieza es competitivo con otros métodos de impresión 3D en metal.

P: ¿Es necesario algún tratamiento posterior en las piezas EBM?

R: La mayoría de las piezas EBM necesitarán algún tipo de post-procesamiento, como el corte de la placa de construcción, el alivio de tensión, el mecanizado de la superficie, la perforación de agujeros, el esmerilado o el pulido para lograr el acabado final de la pieza, la tolerancia y la apariencia. Puede ser necesario un retoque manual mínimo para romper los bordes afilados o reducir la rugosidad.

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