Fabrication additive par faisceau d’électrons

Fabrication additive par faisceau d’électrons (EBAM) est un processus d’impression 3D métallique qui utilise une source d’énergie par faisceau d’électrons pour fusionner les matériaux. Ce guide examine les systèmes, les processus, les matériaux, les applications, les avantages et les considérations EBAM pour l'adoption de cette technologie.

Introduction à la fabrication additive par faisceau d'électrons

La fabrication additive par faisceau d'électrons (EBAM) est un type d'impression 3D métallique qui utilise un faisceau d'électrons de haute puissance comme source d'énergie pour fusionner une matière première métallique en pièces entièrement denses, couche par couche, directement à partir de données de CAO.

Attributs clés de la technologie EBAM :

• Utilise une source d'énergie par faisceau d'électrons pour faire fondre les matériaux
• Construit des pièces en ajoutant de la poudre métallique couche par couche
• Crée des pièces de forme proche du résultat avec une haute densité
• Les matériaux typiques sont le titane, les alliages de nickel, l'acier
• Des volumes de fabrication plus importants que les autres processus de fabrication additive métallique
• Taux de dépôt élevé pour des constructions plus rapides
• Précision moyenne des pièces de ±0,3 mm
• Faible contrainte résiduelle par rapport aux procédés laser
• Idéal pour les pièces métalliques grandes et complexes
• Réduit le gaspillage par rapport aux techniques soustractives

EBAM permet des conceptions innovantes impossibles avec la fabrication conventionnelle. Cependant, comme pour tout procédé additif, il existe des considérations distinctes en matière de conception et d’application.

Comment Fabrication additive par faisceau d’électrons Travaux

Le processus EBAM consiste à :

1. Déposer et niveler une fine couche de poudre métallique
2. Balayage d'un faisceau d'électrons pour faire fondre sélectivement des zones
3. Abaisser la plaque de construction et répéter la superposition/fusion
4. Retrait des pièces terminées du lit de poudre
5. Post-traitement si nécessaire

Un canon à faisceau électronique génère un faisceau focalisé dans des conditions de vide. La puissance du faisceau, la vitesse, la forme et d'autres paramètres sont contrôlés avec précision pour fusionner le matériau.

Les systèmes EBAM nécessitent une chambre à vide, une manipulation de poudre, un canon à électrons, des commandes et d'autres sous-systèmes.

Fabricants d’équipements EBAM

Les principaux fournisseurs mondiaux de systèmes industriels EBAM comprennent :

La sélection du système dépend des besoins de production, des matériaux, des exigences de précision et du budget. S'associer à un prestataire de services expérimenté est une alternative à l'achat direct d'équipement.

Caractéristiques du processus EBAM

EBAM implique des interactions thermiques, mécaniques et matérielles complexes. Les principales caractéristiques du processus comprennent :

Un faisceau d'électrons – Puissance, diamètre du faisceau, courant, vitesse de balayage, mise au point

Poudre – Matériau, forme, distribution granulométrique, épaisseur de couche

Vide – Niveaux de pression requis, impuretés du gaz

Température – Préchauffage, dynamique du bain de fusion, vitesse de refroidissement

Métadonnées – Plaque de construction, système de râteau, blindage

Stratégie d'analyse – Modèles de pool de fusion, oscillations de faisceau

Post-traitement – Traitement thermique, HIP, usinage, finition

Comprendre les relations entre les paramètres est essentiel pour obtenir des pièces EBAM de haute qualité.

Directives de conception EBAM

Les bonnes pratiques de conception de pièces EBAM comprennent :

• Concevoir en tenant compte des principes de fabrication additive
• Utilisez des parois minces et des structures en treillis pour réduire le poids
• Minimiser les surplombs non pris en charge qui nécessitent des supports
• Orienter les pièces pour éviter les contraintes conduisant à des déformations
• Tenir compte des effets de retrait thermique dans les entités
• Géométrie de conception pour faciliter l’élimination de la poudre
• Concevoir des surfaces pour la fonctionnalité plutôt que l’apparence
• S'adapte à l'épaisseur de paroi minimale et à la taille des éléments
• Autoriser le post-traitement du stock sur les surfaces
• Simulez des constructions et des effets thermiques pour des pièces complexes
• Concevoir des dispositifs et des interfaces pour l'élimination du lit de poudre

Les outils de simulation et de modélisation permettent de prédire les contraintes résiduelles et les déformations.

Matériaux EBAM

Une gamme de métaux peut être traitée avec fabrication additive par faisceau d'électrons:

Les propriétés des matériaux dépendent fortement des paramètres du processus EBAM et du post-traitement.

Principales applications EBAM

EBAM permet d’améliorer les performances dans tous les secteurs :

Les avantages par rapport à la fabrication conventionnelle comprennent :

• Réduction des déchets grâce au ratio achat-vol de 1:1
• Délai de livraison plus court grâce au processus numérique
• Assemblages combinés en pièces uniques
• Géométries personnalisées inadaptées à l'usinage
• Performances améliorées des structures complexes
• Volumes de production évolutifs une fois qualifiés

EBAM crée des opportunités pour la conception de produits de nouvelle génération, impossibles à réaliser par d'autres moyens.

Avantages et inconvénients d'EBAM

Avantages :

• Grandes pièces métalliques complexes en une seule pièce
• Composants solides et légers issus de conceptions en treillis
• Élimine le besoin de matrices ou d'outils coûteux
• Réduction des déchets de matière par rapport aux techniques soustractives
• Taux de construction relativement rapide par rapport aux autres processus de fabrication additive
• Rentable pour des volumes moyens de 100 à 10 000 unités
• Métallurgie cohérente grâce à une solidification rapide
• Combine les assemblages en pièces uniques
• Production à la demande et designs personnalisables
• Liberté géométrique au-delà des contraintes d’usinage

Limites :

• Coût d’équipement plus élevé que l’impression 3D polymère
• Limité aux matériaux compatibles sous vide
• Précision et finition de surface inférieures à celles de l'usinage
• Post-traitement souvent nécessaire pour obtenir les propriétés
• Production de poudre de ferraille nécessitant un recyclage
• Développement de processus et essais nécessaires
• Considérations relatives aux installations pour les besoins énergétiques élevés
• Les contraintes thermiques peuvent provoquer une déformation des pièces
• Contraintes sur les porte-à-faux et fonctionnalités minimales
• Limites de taille de l'enveloppe de la chambre de fabrication

Lorsqu'il est adapté aux exigences de l'application, EBAM permet des améliorations de produits à grande valeur ajoutée.

Implémentation de la technologie EBAM

Les principales considérations lors de l’adoption d’EBAM comprennent :

• Identifier les applications où les capacités EBAM offrent un avantage
• Budgétisation d'un investissement en capital important pour le système EBAM
• Développer des protocoles et des normes de qualification rigoureux
• Comprendre les exigences réglementaires pour les applications d'utilisation finale
• Embaucher du personnel possédant une expertise en lit de poudre ou établir des partenariats avec des prestataires de services
• Accorder du temps et des ressources pour les essais et les optimisations des processus
• Mise en œuvre des procédures de manipulation des poudres et de ventilation
• Fournir une infrastructure d'installations et des capacités électriques adaptées
• Budgétisation pour le traitement secondaire comme le traitement thermique
• Effectuer des tests mécaniques pour valider les propriétés

Les applications les mieux adaptées aux essais initiaux sont moins critiques et présentent un risque moindre.

Économies de coûts avec EBAM

L’analyse de rentabilisation d’EBAM dépend de :

• Les équipements élevés coûtent environ $1 million à $3 million
• Main-d'œuvre pour le développement des processus et la production
• Coût des matières premières en poudre métallique
• Opérations de seconde finition
• Installations, infrastructures de manutention des poudres
• Réduction des déchets par rapport aux processus soustractifs
• Consolidation de sous-ensembles en pièces uniques
• Délais de développement plus courts que les techniques conventionnelles
• Devenir économique avec des volumes d'environ 100 à 10 000 pièces
• Économies les plus élevées pour les géométries complexes ajoutant de la valeur

Les fabricants doivent compenser les coûts plus élevés des équipements de fabrication additive par les avantages de la fabrication.

EBAM comparé à d'autres processus

Chaque processus offre des avantages spécifiques en fonction de l'application, de la taille du lot, des besoins de précision et des exigences de performances.

Perspectives d'avenir pour EBAM

L’avenir s’annonce prometteur pour l’adoption élargie d’EBAM, motivée par :

• Gamme plus large d'alliages de qualité production
• Des enveloppes de construction plus grandes permettant des pièces plus grandes
• Des taux de construction plus rapides pour un débit accru
• Finition et précision dimensionnelle améliorées
• Baisse des coûts à mesure que la technologie évolue
• Automatisation accrue du pré/post-traitement
• Systèmes hybrides intégrant l'usinage
• Systèmes avancés de surveillance en cours de processus
• Qualification pour des industries exigeantes comme l'aéronautique
• Optimisation de la conception en tirant parti des capacités d'EBAM

À mesure que la technologie progresse, EBAM transformera la fabrication dans un éventail toujours plus large d’industries.

FAQ

Quels matériaux sont utilisés dans EBAM ?

Le titane, les alliages de nickel, les aciers à outils, les aciers inoxydables, les alliages d'aluminium et les métaux précieux peuvent être traités.

Quelle est la précision et la finition des pièces EBAM ?

Une précision dimensionnelle de ±0,3 mm est typique, avec une rugosité de surface d'environ 25 à 125 μm Ra tel que construit.

Quel post-traitement est utilisé pour les pièces EBAM ?

Le traitement thermique, le HIP et l'usinage peuvent être utilisés. Le revêtement par pulvérisation plasma est également courant.

Quelle taille de pièces EBAM peut-il produire ?

Les volumes de construction courants vont de 500 mm x 500 mm x 500 mm jusqu'à 2 m x 1 m x 1 m pour les grands systèmes.

Quels sont les avantages par rapport aux méthodes soustractives ?

EBAM génère des pièces de forme presque nette avec une réduction des déchets et consolide les assemblages en composants complexes uniques.

Quelles industries utilisent EBAM ?

Les secteurs de l’aérospatiale, de l’énergie, de l’automobile, du pétrole et du gaz ainsi que de la médecine sont les premiers à adopter EBAM.

Quelle expertise est nécessaire pour faire fonctionner les équipements EBAM ?

Des techniciens qualifiés et expérimentés dans les procédés sur lit de poudre, la métallurgie et le post-traitement sont nécessaires.

Quelles précautions de sécurité sont nécessaires ?

La ventilation, l'équipement de surveillance, l'équipement de protection individuelle et la manipulation sécuritaire de la poudre sont essentiels.

Quel est le coût par rapport à la fabrication conventionnelle ?

EBAM devient rentable autour d'une production en volume moyen de 100 à 10 000 unités pour des conceptions complexes.

Pouvez-vous expliquer brièvement le processus EBAM ?

EBAM dépose de la poudre métallique en couches qu'un faisceau d'électrons fait fondre sélectivement couche par couche en fonction des données de CAO pour construire une pièce.

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