Processus de fabrication eBM

Fusion par faisceau d'électrons (EBM) est un procédé de fabrication additive qui utilise un faisceau d'électrons pour faire fondre sélectivement de la poudre métallique couche par couche afin de construire des pièces entièrement denses. Le procédé de fabrication EBM offre des capacités qui dépassent les méthodes de fabrication conventionnelles pour produire des pièces métalliques complexes et de haute performance.

Vue d'ensemble du processus de fabrication de l'ebm

L'EBM fonctionne de la même manière que les autres techniques de fusion sur lit de poudre. Le processus se déroule dans une chambre à vide poussé où un faisceau d'électrons balaie sélectivement et fait fondre de la poudre étalée en fines couches sur une plaque de construction. Après la fusion de chaque couche, la plaque de construction s'abaisse et une plus grande quantité de poudre est répandue sur la surface, puis le faisceau d'électrons fait fondre et fusionne la couche suivante.

Détails clés :

• Construire des pièces couche par couche à partir de poudre métallique
• Un faisceau d'électrons fait fondre sélectivement une poudre
• Le processus se déroule dans le vide
• Puissance de faisceau élevée pour une fusion rapide
• Structures de soutien utilisées, retirées après le processus
• Se répète jusqu'à ce que la partie complète soit formée

Avantages :

• Liberté de conception pour les géométries complexes
• Pièces métalliques fonctionnelles directement à partir de la CAO
• Excellentes propriétés mécaniques
• Pièces à haute densité, jusqu'à 99,9%
• Réduction des déchets par rapport à l'usinage

L'EBM offre une plus grande liberté de fabrication de géométries complexes avec moins de restrictions sur les angles, les porte-à-faux et les contre-dépouilles par rapport à la fabrication traditionnelle. Les pièces produites par EBM présentent des propriétés mécaniques comparables ou supérieures à celles des pièces forgées.

Matériaux utilisés dans l'EBM

EBM est capable de transformer divers alliages en pièces entièrement denses, l'utilisation la plus courante étant celle du titane, de l'aluminium, du chrome cobalt, des alliages de nickel, des aciers inoxydables et des aciers à outils.

Matériaux :

• Titane Ti64, Ti64ELI, titane commercialement pur
• Aluminium AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy
• Cobalt Chrome CoCrMo, CoCrW
• Alliages de nickel IN718, IN625, IN939
• Aciers inoxydables 316L, 17-4PH, 304L, 420
• Aciers à outils H13, D2, M2
• Autres : CuSn10, CuCr1Zr

Les alliages de titane sont très utilisés dans les composants aérospatiaux, de même que les superalliages de nickel. Le cobalt-chrome est populaire pour les implants médicaux. Les moules en acier à outils et les composants en aluminium sont utilisés dans les secteurs de l'automatisation et de l'automobile. Diverses poudres métalliques d'une taille allant jusqu'à 15 microns peuvent être utilisées.

Capacités du processus EBM

EBM peut fabriquer directement des pièces et des produits prêts à l'emploi avec peu ou pas de post-traitement. Voici quelques-unes de ses principales capacités :

Complexité géométrique

• Treillis complexes et structures de maillage
• Canaux profonds, passages souterrains, tunnels
• Parois minces (< 1 mm) et détails fins
• Optimisation de la topologie de l'allègement

Propriétés mécaniques

• Les valeurs de résistance et de dureté sont égales ou supérieures à celles des métaux corroyés.
• Résistance à la fatigue et à la rupture équivalente à celle du corroyage
• Composants denses avec une porosité inférieure à 0,8%

Précision et résolution

• Précision à 0,2 mm ou 2% de la dimension de la pièce
• Taille du trait le plus fin : environ 0,3 mm
• Parois les plus fines de 0,25-0,5 mm
• Les tailles minimales des caractéristiques continuent de s'améliorer

Finition de la surface

• Finition de surface EBM brute d'environ 5-9 μm de rugosité.
• Le profilage de finition peut atteindre une rugosité de 1,5 μm.
• Autres procédés utilisés pour un polissage plus fin

Construire des volumes

• Les systèmes commerciaux vont d'un diamètre de 150 mm à une construction de 1000 x 600 x 500 mm.
• Des systèmes douaniers plus importants sont également en cours de développement
• Amélioration continue des dimensions maximales des pièces

Étapes du processus de fabrication additive EBM

Le processus de fabrication EBM se déroule en une série d'étapes visant à mettre en place, préparer, construire et compléter des pièces métalliques de manière additive, couche par couche, en utilisant un faisceau d'électrons pour faire fondre et fusionner le matériau.

Étapes du processus EBM :

1. Modélisation 3D des pièces et optimisation de la conception pour l'AM
2. Convertir un fichier au format standard pour le système EBM
3. Sélectionner le matériau, définir les paramètres de construction
4. Préparer la poudre métallique conformément aux spécifications
5. Charger la poudre dans la machine, niveler la zone de construction
6. Étendre la couche de poudre, préchauffer avec le faisceau
7. Hachurer les zones de fusion pour chaque couche, fusionner le métal
8. Abaisser la plate-forme, ajouter la couche suivante
9. Répéter la stratification/fusion pour compléter la pièce
10. Retirer de la chambre, séparer la pièce de la plaque de base
11. Retirer les structures de soutien de la pièce
12. Post-traitement par usinage, polissage, pressage isostatique à chaud si nécessaire

Les paramètres critiques du processus optimisés pour chaque matériau comprennent la puissance du faisceau, la vitesse du faisceau, l'espacement des hachures, la stratégie de balayage, la durée de la couche, l'épaisseur de la couche, les températures de préchauffage et les traitements thermiques post-processus. Le réglage de ces paramètres permet d'ajuster la densité des pièces, les contraintes résiduelles, l'état de surface, la microstructure et les propriétés mécaniques.

Avantages de la fabrication additive par faisceau d'électrons

L'EBM offre plusieurs avantages convaincants par rapport à la fabrication soustractive traditionnelle ou à d'autres méthodes additives en termes de coût, de performance, d'efficacité, de complexité, de propriétés et de durabilité.

Avantages de l'EBM :

• Liberté de conception pour les géométries légères et complexes
• Flux de travail rationalisé de la CAO à la pièce fonctionnelle finie
• Élimination de l'outillage et de la fixation pour les caractéristiques complexes
• Haute densité de métal jusqu'à 99,9%
• Excellentes propriétés de résistance et de dureté
• Coût inférieur par pièce pour les petits/moyens volumes
• Réduction des déchets métalliques par rapport aux procédés soustractifs
• Minimise le post-traitement et les délais d'exécution
• Contrôle des paramètres pour la microstructure et les propriétés
• La puissance élevée du faisceau permet des vitesses de construction plus rapides

Le processus EBM facilite les approches de conception innovantes et la consolidation de pièces complexes pour améliorer les performances. Il permet de produire rapidement des composants métalliques à haute densité sans coûts excessifs liés à un outillage spécialisé ou à des opérations de finition poussées.

Limites de la fabrication additive par faisceau d'électrons

Outre ses avantages, l'EBM présente certaines limites inhérentes qu'il convient de prendre en compte pour déterminer s'il convient de l'utiliser dans des applications de production.

Limites de l'EBM :

• Coût d'équipement plus élevé que les systèmes à base de polymères
• Les alliages approuvés pour l'aérospatiale et la médecine sont actuellement limités.
• Les optiques de déviation de faisceau limitent la taille maximale de la construction
• Vitesses de balayage inférieures à celles de la fusion laser sur lit de poudre
• Résolution plus fine que les systèmes laser
• La fusion par faisceau est influencée par la conductivité de la poudre et la hauteur de construction
• Post-traitement pour améliorer l'état de surface
• Possibilité de petits vides internes ou d'absence de défauts de fusion
• Domaines de surveillance des processus et de contrôle de la qualité à développer

Les dépenses d'équipement élevées associées aux systèmes à faisceau d'électrons se traduisent par des coûts de pièces plus élevés, ce qui rend l'EBM plus adapté à la production de faibles volumes où les économies réalisées sur l'outillage compensent les dépenses d'investissement initiales.

Contrôle de la qualité et post-traitement dans l'EBM

Comme pour tous les procédés de fabrication additive de métaux sur lit de poudre, les composants EBM peuvent être confrontés à des problèmes de qualité potentiels concernant la porosité, les propriétés anisotropes, l'état de surface, les contraintes résiduelles, les effets de la poudre et le dimensionnement géométrique, qui doivent être atténués par l'optimisation des paramètres, le post-traitement, le pressage isostatique à chaud et les procédures de contrôle de la qualité.

Contrôle de la qualité :

• Propriétés constantes des poudres métalliques de départ
• Optimisation des paramètres spécifiques à l'alliage et à la géométrie
• Surveillance in situ des émissions thermiques
• Scanner après la construction pour vérifier les densités
• Essais des propriétés mécaniques selon les normes ASTM

Post-traitement :

• Soulagement des contraintes thermiques et pressage isostatique à chaud
• Décapage par billes pour améliorer la finition de la surface
• Fraisage, tournage, rectification, polissage
• Revêtements ou traitements pour les propriétés fonctionnelles

Les efforts se poursuivent pour améliorer la surveillance du processus en temps réel, le contrôle de la qualité des poudres d'alimentation, les simulations de modélisation et l'optimisation des paramètres de rétroaction en boucle fermée afin d'améliorer la qualité et la fiabilité.

Applications de la fabrication additive par faisceau d'électrons

Les libertés de conception offertes par l'EBM se traduisent par des composants d'utilisation finale très performants dans des industries progressistes qui repoussent les limites dans les domaines de l'aérospatiale, de la défense, de la technologie médicale, de l'automobile et de l'énergie.

Applications industrielles :

Aérospatiale - Aubes de turbines, roues, chambres de poussée, treillis Automobile - Allègement des composants du châssis et du groupe motopropulseur Médical - Implants orthopédiques, prothèses
L'énergie - Échangeurs de chaleur, récipients sous pression, forage Défense - UAV, pièces de véhicules militaires de protection Outillage - Moules, matrices et modèles à refroidissement conforme

L'EBM facilite la consolidation d'assemblages complexes en pièces uniques aux propriétés améliorées et sert à la production de petites et moyennes séries. Le processus continue de progresser du prototypage rapide vers la fabrication en série certifiée à mesure que des alliages plus larges et des mesures de contrôle de la qualité arrivent à maturité.

Fournisseurs d'équipements EBM

Une poignée de fournisseurs industriels bien établis proposent des systèmes commerciaux de fabrication additive EBM ainsi que des solutions intégrées de manipulation des poudres. Des machines grand format sur mesure sont également en cours de développement.

Fournisseurs d'équipements EBM :

Systèmes à petite échelle / de recherche

• Arcam A2X
• Institut des technologies de fabrication avancées EBAM 150
• Centre de mécatronique de Linz GmbH Micro-EBAM

Les volumes de construction plus importants continuent d'augmenter et des solutions personnalisées de plus d'un mètre de long sont en cours de R&D. Les largeurs de faisceau progressent également, passant d'un seul faisceau électronique à plusieurs faisceaux coordonnés pour des vitesses plus rapides.

Analyse des coûts de la fabrication additive par faisceau d'électrons

L'adoption de l'EBM en tant que procédé de fabrication additive métallique pour l'utilisation finale nécessite de mettre en balance les dépenses liées à l'acquisition d'équipements, aux matériaux consommables et aux frais généraux d'exploitation avec les économies réalisées sur le coût unitaire des pièces grâce à la consolidation des assemblages, à la minimisation de l'usinage et à l'adaptation des stocks.

Facteurs de coût - EBM et fabrication traditionnelle

En général, l'EBM présente des avantages pour les pièces métalliques complexes à faible volume, de l'ordre d'une à quelques centaines d'unités, où les stocks, le temps d'usinage et les consolidations d'assemblage compensent les coûts de machine et de poudre supérieurs d'un ordre de grandeur par rapport à la fabrication traditionnelle à fort volume avec un outillage coûteux et des tailles de lots extrêmes. La quantité, la cadence, la complexité, les objectifs de performance et les attentes en matière de qualité des pièces jouent un rôle important dans le choix de la méthode de production optimale.

Considérations de sécurité pour la fabrication additive par faisceau d'électrons

Comme tout équipement de fabrication industrielle, l'impression 3D de métaux par faisceau d'électrons présente des risques pour la santé et la sécurité en ce qui concerne l'électricité à haute tension, les gaz inertes, les poudres métalliques réactives et la manipulation de matériaux toxiques nécessitant des mesures d'atténuation des risques.

Considérations relatives à la sécurité de l'EBM :

• Confinement de l'électronique haute tension
• Protection contre les expositions aux rayons X
• Gaz cryogéniques sous pression
• Poussières de poudres métalliques réactives
• Exposition aux nanoparticules
• Ergonomie du tamisage manuel des poudres
• Verrouillages mécaniques et laser
• Précautions relatives à l'inflammabilité des matériaux
• Exigences en matière d'EPI pour le personnel
• Verrouillage des équipements et arrêts d'urgence
• Entretien de routine pour une meilleure disponibilité
• Suivi des heures de travail et des performances des faisceaux

Une formation approfondie des opérateurs combinée à des contrôles techniques, des protocoles de sécurité, des équipements de protection, une maintenance réglementée et les directives Assembly Bill et Conformité européenne appliquées aux équipements à lit de poudre offrent de multiples couches de protection de la santé et de l'environnement.

Perspectives d'avenir pour la fabrication additive par faisceau d'électrons

La technologie et la qualité de l'EBM continuant à s'améliorer, on s'attend à une adoption plus large dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, de l'industrie, de l'outillage et de l'automobile, favorisant les applications avec des volumes de production modérés inférieurs à quelques milliers d'unités, où les performances justifient des coûts plus élevés.

Tendances futures de l'EBM :

• Élargissement du portefeuille d'alliages transformables
• Matériel pour des volumes de construction plus importants
• Systèmes à faisceaux multiples pour des vitesses plus élevées
• Amélioration de la portée et de la précision de la déflexion du faisceau
• Amélioration de la focalisation et de la précision du faisceau
• Surveillance in situ et contrôle en boucle fermée
• Normalisation des paramètres du processus
• Solutions complètes de gestion des poudres
• Intégration de la fabrication hybride
• Critères de qualité pour la certification
• Applications de production à haut débit

L'incorporation de plusieurs faisceaux d'électrons coordonnés peut multiplier les vitesses de balayage. Les systèmes hybrides combinant l'EBM avec le fraisage ou d'autres opérations secondaires dans une plate-forme unique permettent un post-usinage rationalisé. Au fur et à mesure que le matériel, les matériaux, les protocoles de qualité et les processus d'approbation des pièces progressent, l'adoption de l'EBM permet une production à plus haute cadence dans des applications certifiées de plus en plus nombreuses.

FAQ

Q : Quels matériaux EBM peut-il traiter ?

R : EBM traite couramment le titane, l'aluminium, le nickel, le chrome cobalt, l'acier inoxydable, l'acier à outils et les alliages de cuivre. Les options de matériaux ne cessent de s'étendre.

Q : EBM produit-il des pièces poreuses ou entièrement denses ?

R : EBM produit plus de 99% de composants métalliques denses en utilisant des poudres partiellement pré-frittées. La densité dépasse celle des métaux coulés et corroyés.

Q : Quelle est la précision de l'EBM par rapport aux autres procédés d'AM des métaux ?

R : La précision dimensionnelle atteint ±0,2 mm avec des tolérances compétitives par rapport à d'autres technologies de lit de poudre, la précision s'améliore avec l'expérience.

Q : Quelles sont les industries qui utilisent la fabrication EBM ?

A : Les industries aérospatiale, médicale, automobile, industrielle, de l'outillage, de la défense, de la robotique et de l'énergie utilisent l'EBM pour les composants d'utilisation finale.

Q : Quel est le coût par pièce de la fabrication additive EBM ?

R : Le coût des pièces varie de $100 à $10 000+ en fonction de la taille, de la complexité de la géométrie, des cadences de fabrication, des volumes de matériaux, des besoins de post-traitement, etc.

Q : Quels sont les fournisseurs de services qui proposent la fabrication additive EBM ?

A : RapidDirect, 3D Systems, Carpenter Additive, Alloyed, Sigma Labs, Velo3D, Barnes Aerospace, Burloak Technologies, Morf3D.

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