Imprimante 3d à fusion par faisceau d'électrons
Table des matières
Vue d'ensemble de l'imprimante 3d à fusion par faisceau d'électrons
Imprimante 3d à fusion par faisceau d'électrons est une technologie de fabrication additive couramment utilisée pour l'impression 3D de pièces métalliques. Un faisceau d'électrons fait fondre sélectivement de la poudre de métal couche par couche sur la base d'un modèle de CAO pour construire des géométries complexes inégalées par la fabrication conventionnelle.
Les imprimantes 3D EBM offrent des avantages tels que la liberté de conception, la personnalisation de masse, la réduction des déchets et la légèreté. Les principales applications se trouvent dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, des soins dentaires et de l'automobile. Les matériaux imprimés sur les systèmes EBM comprennent le titane, les alliages de nickel, l'acier inoxydable, l'aluminium et le cobalt-chrome.
Types d'imprimantes 3D EBM
| Imprimante | Fabricant | Volume de construction | Épaisseur de la couche | Puissance du faisceau |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM Spectra H | GE Additive | 275 x 275 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q10plus | GE Additive | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q20plus | GE Additive | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky Inc. | 1500 x 750 x 750 mm | 150 μm | 30-60 kW |
Processus d'impression EBM
Le processus d'impression EBM fonctionne comme suit :
- La poudre métallique est répartie uniformément sur une plaque de construction à l'aide d'un mécanisme de râteau.
- Un faisceau d'électrons préchauffe sélectivement la poudre de métal à environ 80% de son point de fusion, ce qui permet de fritter les particules ensemble
- Le faisceau d'électrons effectue un second passage, faisant fondre rapidement le matériau en fonction de la géométrie de la couche.
- La plaque de construction s'abaisse et une autre couche de poudre est étalée sur la zone de construction.
- Les étapes 2 à 4 sont répétées jusqu'à ce que la pièce entière soit construite à partir de couches de métal en fusion.
Composants matériels de l'imprimante EBM
Les imprimantes EBM contiennent les principaux composants matériels suivants qui permettent le processus d'impression :
- Pistolet à électrons: Génère un faisceau d'électrons focalisé pour faire fondre sélectivement la poudre métallique en fonction des données de CAO entrées dans l'imprimante. Les électrons sont émis par une cathode à filament de tungstène et accélérés jusqu'à atteindre une énergie cinétique élevée. Des électro-aimants concentrent et dévient le faisceau.
- Manipulation des poudres: Les trémies de poudre stockent la matière première qui est ratissée sur la plaque de construction avant chaque couche d'impression. La poudre qui déborde est collectée et tamisée pour être réutilisée.
- Construire un réservoir: Chambre scellée où la fusion de la couche s'effectue à haute température sous vide. Des éléments chauffants et des écrans thermiques permettent de maintenir des températures allant jusqu'à 1000°C dans la zone de construction.
- Système de contrôle: Permet de contrôler les paramètres de fonctionnement tels que la vitesse, la puissance du faisceau, les motifs de balayage et la température par l'intermédiaire du logiciel d'interface de l'imprimante. Facilite également le chargement des modèles CAO.
Matériel imprimable EBM
| Matériau | Type | Caractéristiques | Applications | Fournisseurs | Prix |
|---|---|---|---|---|---|
| Alliages de titane | Ti-6Al-4V (grade 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | Excellent rapport poids/résistance, biocompatibilité, résistance à la corrosion | Composants aérospatiaux, implants et dispositifs médicaux | AP&C, Technologie des charpentiers | $350-$500 par kg |
| Alliages de nickel | Inconel 718, Inconel 625, Inconel 939 | Résistance aux températures élevées, à la corrosion et à l'oxydation | Pièces de moteurs aérospatiaux, équipements de production d'énergie | Sandvik | $500-$800 par kg |
| Aciers inoxydables | 316L, 17-4PH, 15-5PH, duplex | Dureté élevée et résistance à l'usure | Dispositifs alimentaires/médicaux, outillage, automobile | Sandvik, LPW Technology | $90-$350 par kg |
| Chrome cobalt | CoCrMo | Excellentes propriétés de résistance à la fatigue et à l'usure | Chapes et bridges dentaires, implants médicaux | Solutions SLM | $270-$520 par kg |
| Aluminium | AlSi10Mg | Faible densité, bonne conductivité thermique | Supports pour l'aérospatiale, pièces pour l'automobile | AP&C | $95-$150 par kg |
Avantages de l'impression 3D EBM
| Paramètres | Bénéfice |
|---|---|
| Liberté de conception | Les géométries complexes telles que les treillis et les canaux internes sont imprimables. |
| Prototypage rapide | Création d'itérations en quelques jours contre plusieurs semaines pour les méthodes traditionnelles |
| Personnalisation de masse | La même imprimante peut fabriquer une variété de pièces personnalisées |
| Haute densité | Près de 100% métal dense avec des mécaniques proches de la fabrication traditionnelle |
| Usinage minimal | Finition réduite car la qualité de l'impression est assez bonne |
| Réduction des déchets | N'utiliser que la quantité de matériau nécessaire par rapport aux processus soustractifs |
| Une qualité constante | Le processus entièrement automatisé permet la répétabilité des constructions |
| Avantages en termes de coûts | Economies d'échelle grâce à la consolidation de l'outillage, de l'assemblage et de la logistique par le biais de la consolidation des pièces |
Limites de l'impression EBM
| Inconvénient | Description |
|---|---|
| Contraintes géométriques | Angles supportés limités à des porte-à-faux de 60°, épaisseur minimale des parois de 0,3-0,4 mm |
| Retrait des poudres | Des canaux ou volumes internes non exposés à l'air extérieur peuvent avoir piégé de la poudre. |
| Occlusions de faisceaux | Certaines zones concaves ou caractéristiques internes profondes peuvent être inaccessibles au faisceau d'électrons. |
| Contraintes thermiques | Un réchauffement/refroidissement rapide pendant le traitement peut induire des fissures dues aux gradients thermiques. |
| Post-traitement | Certaines opérations de finition secondaire sont encore nécessaires pour obtenir des surfaces plus lisses ou des tolérances plus étroites. |
| Limitations de la taille de la construction | Les composants plus grands que les dimensions de l'enveloppe de l'imprimante ne peuvent pas être imprimés |
| Coût élevé de l'équipement | Imprimantes $500 000+, limite l'adoption par les petites entreprises et les utilisateurs individuels |
Ventilation des coûts
Une comparaison des coûts de fabrication de coiffes dentaires en chrome à 10 cobalts sur une imprimante Arcam EBM est présentée ci-dessous :
| Dépenses | Total ($) | Par unité ($) |
|---|---|---|
| Amortissement de l'imprimante | $2,000 | $200 |
| Matériau (poudre de CoCrMo) | $1,500 | $150 |
| Travail | $100 | $10 |
| Total | $3,600 | $360 |
En revanche, l'externalisation de la fabrication d'un modèle en cire + le moulage à la cire perdue pour 10 unités coûterait $600 par unité - l'EBM offre donc une réduction significative des coûts par unité, en particulier pour les volumes plus importants.
Imprimante 3d à fusion par faisceau d'électrons Fournisseurs
Parmi les principaux fabricants d'imprimantes EBM et fournisseurs de poudres métalliques, on peut citer
| Entreprise | Emplacement du siège | Modèles d'imprimantes proposés | Matériaux pris en charge |
|---|---|---|---|
| Additifs GE | Canada | Arcam EBM Spectra, série Q | Ti-6-4, Inconel, CoCr, etc. |
| Sciaky Inc. | États-Unis | Série EBAM 300 | Alliages de titane, aciers, aluminium |
| Solutions SLM | Allemagne | N/A | CoCr, acier inoxydable, etc. |
| Technologie des charpentiers | États-Unis | N/A | Ti-6-4, alliages d'Inconel, aciers inoxydables |
| Technologie LPW | Royaume-Uni | N/A | Alliages de nickel, poudres d'alliages d'aluminium |
| Sandvik | Suède | N/A | Poudres métalliques Osprey® pour EBM |
Le coût moyen d'un système est compris entre 1,4 million et 1,4 million de dollars, y compris les équipements auxiliaires tels que les stations d'élimination des poudres. Les matériaux vont de $100 par kg pour l'aluminium à $800 par kg pour les superalliages spéciaux à base de nickel.
Imprimante 3d à fusion par faisceau d'électrons Normes et certifications
Les principales normes associées à la qualité, aux spécifications et au contrôle des processus pour les systèmes de fusion par faisceau d'électrons sont les suivantes :
| Standard | Description |
|---|---|
| ISO 17296-2 | Fabrication additive de métaux - Processus, matériaux et géométries |
| ASTM F2971 | Pratique standard pour la production de pièces métalliques par EBM |
| ASTM F3184 | Norme pour la qualification du matériel EBM |
| ASME BPVC Sec II-C | Définit les spécifications des matériaux EBM approuvés |
Le matériel EBM et le système de qualité du fabricant peuvent être certifiés ISO 9001. Pour les applications aérospatiales, des spécifications supplémentaires telles que AS9100D s'appliquent.
Fusion par faisceau d'électrons et autres techniques d'AM des métaux
| Paramètres | Fusion par faisceau d'électrons | Fusion laser sur lit de poudre | Dépôt d'énergie dirigée |
|---|---|---|---|
| Source de chaleur | Faisceau d'électrons accéléré | Laser à fibre Yb haute puissance | Laser focalisé ou faisceau électronique |
| Atmosphère | Vide | Gaz inerte | Air ou gaz inerte |
| Méthode de balayage | Tache focalisée de tramage | Rastérisation d'un spot laser focalisé | Trame ou spot unique |
| Taux de dépôt | 4-8 cm$^3$/heure | 4-20 cm$^3$/heure | 10-100 cm$^3$/heure |
| Précision | ± 0,1-0,3 mm ou ± 0,002 mm/mm | Jusqu'à ±0,025 mm ou ±0,002 mm/mm | > 0,5 mm |
| Finition de la surface | 15 μm Ra, 50 μm Rz | Jusqu'à 15 μm de rugosité | > 25 μm rugosité |
| Coût par pièce | Moyen | Moyen | Le plus bas |
Applications de Imprimante 3d à fusion par faisceau d'électrons
En raison de sa capacité à produire des géométries complexes dans divers métaux à haute performance, la fusion par faisceau d'électrons est utilisée dans des secteurs tels que.. :
Aérospatiale : L'allègement des composants aérospatiaux tels que les supports et les jambes de force en titane et en alliage de nickel offre des avantages en termes d'efficacité énergétique. L'EBM permet également de consolider les canaux d'acheminement des fluides et les caractéristiques de montage en une seule pièce.
Soins médicaux et dentaires : Les implants en chrome cobalt et en titane avec des surfaces poreuses qui favorisent l'ostéo-intégration peuvent être adaptés à l'anatomie du patient grâce à l'EBM. Personnalisation importante et réduction des déchets par rapport aux tailles et formes traditionnelles des implants.
Automobile : L'allègement des pièces telles que les couvercles de soupapes et les étriers de freins en aluminium ou en titane réduit le poids du véhicule pour une meilleure économie de carburant. La production en petites séries de roues de turbocompresseurs personnalisées et optimisées pour les applications de course est également économiquement viable.
Outillage : Les canaux de refroidissement conformes peuvent être intégrés dans l'outillage du moule d'injection afin d'accélérer les temps de cycle. L'EBM permet de réaliser rapidement de 10 à 20 itérations de disposition des canaux de refroidissement, contre plusieurs semaines pour les méthodes conventionnelles.
FAQ
| Question | Répondre |
|---|---|
| Comment la précision des pièces se compare-t-elle entre l'EBM et les procédés de fabrication traditionnels ? | La précision dimensionnelle et les tolérances jusqu'à ±0,1 mm sont possibles pour l'EBM, ce qui est comparable aux limites du moulage et du forgeage. L'usinage CNC permet d'obtenir des tolérances plus étroites, de l'ordre de ±0,01 mm, si nécessaire. |
| La finition de la surface brute EBM telle qu'elle a été imprimée nécessite-t-elle un traitement ultérieur ? | Oui, l'effet d'escalier en couches provoque généralement une rugosité de 10 à 15 μm. Le culbutage, le polissage, le sablage ou l'usinage permettent d'obtenir des finitions plus lisses, jusqu'à 0,5 μm si nécessaire. |
| Tout alliage métallique peut-il être utilisé pour l'EBM ou certaines compositions sont-elles inadaptées ? | Les alliages susceptibles de se fissurer à l'état solide sous l'effet des contraintes thermiques peuvent s'avérer difficiles - les coefficients de dilatation très élevés, supérieurs à 15 μm/(m ̊C), doivent être évités. |
| Quel est le principal compromis entre les procédés de fusion en lit de poudre par laser et par faisceau d'électrons ? | Les lasers offrent des vitesses de fabrication plus rapides, jusqu'à 100 cm$^3$/h, mais la puissance maximale du faisceau est limitée à 1 kW. Des faisceaux électroniques plus puissants, de 8 à 60 kW, permettent une pénétration plus profonde dans les métaux denses avec une efficacité énergétique plus élevée. |
Résumé
La fusion par faisceau d'électrons utilise un faisceau d'électrons concentré et puissant sous vide pour fusionner sélectivement des particules de poudre métallique, couche par couche, jusqu'à ce que des pièces entièrement denses soient formées. Les imprimantes 3D EBM fabriquent des géométries extrêmement complexes, inégalées par toute autre technologie, ce qui rend possible la personnalisation, l'allègement et la consolidation des pièces dans des secteurs allant des appareils médicaux aux composants aérospatiaux. Bien que les volumes d'impression maximum soient limités par rapport à d'autres techniques additives ou conventionnelles, la fusion par faisceau d'électrons ouvre de nouvelles possibilités de conception et des approches de fabrication agiles qui n'étaient pas réalisables auparavant.
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