electron beam melting 3d printing

Vue d'ensemble

L'impression 3D par fusion par faisceau d'électrons est une technologie de fabrication additive qui utilise un faisceau d'électrons comme source d'énergie pour fondre et fusionner sélectivement des particules de poudre métallique couche par couche afin de fabriquer des pièces 3D complexes.

Par rapport à d’autres méthodes d’impression 3D métal, l’EBM offre des avantages distincts tels que d’excellentes propriétés mécaniques, des taux de construction élevés, les avantages du traitement sous vide et l’adéquation aux matériaux réactifs. Cependant, le coût élevé de l'équipement et les options matérielles limitées ont limité l'utilisation de l'EBM à des applications exigeantes dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine et de l'automobile.

Ce guide complet couvre la technologie EBM, les processus, les matériaux, les applications, les fabricants de systèmes, les coûts, les avantages/limites et d'autres FAQ pour aider les fabricants à évaluer si EBM est la solution de fabrication additive métallique adaptée à leurs besoins.

Comment Impression 3D par fusion par faisceau d'électrons Travaux

L'impression EBM implique les étapes clés suivantes :

Préparation du modèle 3D

• Modèle CAO optimisé pour EBM – épaisseurs de paroi, supports, orientation, etc.

Conversion de fichier en .STL

• Géométrie CAO convertie en facettes triangulaires fichier .STL

Configuration de la machine

• Entrée des paramètres de construction – vitesse, puissance, décalage de mise au point, etc.
• Matériau chargé, paramètres ajustés en fonction des propriétés de la poudre

Ratissage de poudre

• Poudre uniformément ratissée sur la plateforme de construction en couches contrôlées

Fusion par faisceau d'électrons

• Le faisceau d'électrons focalisé fait fondre sélectivement la poudre pour construire chaque couche
• L'environnement sous vide empêche l'oxydation

Abaissement de la plateforme

• Après la fusion d'une couche, plate-forme indexée selon l'épaisseur de la couche
• Nouvelle couche de poudre étalée sur la couche précédente

Retrait de la machine

• Excès de poudre retiré des pièces construites
• Structures de support détachées
• Post-traitement effectué si besoin

Le processus de construction couche par couche permet d'obtenir des géométries complexes et optimisées avec d'excellentes propriétés.

Matériaux pour l'impression 3D EBM

EBM est compatible avec une gamme d’alliages métalliques :

Les alliages standard et personnalisés optimisés pour EBM peuvent être imprimés. Un réglage des paramètres est nécessaire pour que les nouveaux matériaux atteignent les propriétés souhaitées.

Fournisseurs de machines EBM

Les principaux fabricants d'équipements EBM sont les suivants

Arcam EBM a été le pionnier des systèmes EBM commerciaux. D'autres fournisseurs sont entrés plus récemment, élargissant leurs capacités en matière de matériaux et de dimensions.

Spécifications

Spécifications typiques du système EBM :

Une puissance plus élevée et une mise au point plus fine fournissent des pools de fusion plus nets et une meilleure résolution des fonctionnalités. Des enveloppes de construction plus grandes facilitent la production par lots.

Principes de conception EBM

Principes clés de conception des pièces EBM :

• Minimisez les surfaces non supportées pour éviter toute distorsion
• Utiliser des angles autoportants supérieurs à 45° pour éviter les supports
• Concevoir des canaux internes pour l'élimination de la poudre non fondue
• Tenir compte du retrait d'environ 20% par rapport aux dimensions finales de la pièce
• Inclure une texturation pour améliorer l'écoulement de la poudre dans les zones complexes
• Positionnez les pièces pour un chauffage uniforme et un emballage efficace
• Concevoir des structures pour minimiser la poudre piégée
• Gardez les surplombs au-dessus de 30° pour éviter les gouttes.
• Utiliser des supports de treillis conformes si nécessaire

La liberté de conception EBM permet de consolider les assemblages en pièces monolithiques optimisées et légères.

Applications de l'EBM

EBM est idéal pour :

Aérospatiale et automobile :

• Aubes de turbine, injecteurs de carburant, cadres structurels, enceintes complexes

Médical :

• Implants orthopédiques, prothèses, outils chirurgicaux nécessitant une biocompatibilité

Industriel :

• Composants robotiques légers, pièces de manipulation de fluides soumises à la corrosion

Défense :

• Composants durables et personnalisés comme les canaux de refroidissement et les supports

R&D :

• Nouveaux alliages, composites à matrice métallique et structures en treillis

La combinaison de liberté de conception, de propriétés d'ingénierie et d'économie de fabrication d'EBM en fait le processus de choix pour les applications critiques.

Analyse des coûts

Le coût de production du système EBM et des pièces dépend de :

Achat de machines

• ~$800 000 pour les machines de production de taille moyenne
• Un investissement de plusieurs millions pour les grands systèmes

Coût matériel

• La poudre peut varier de $100-500/kg
• Certains alliages comme le Ti64 bénéficient de prix élevés

Cout d'opération

• Coût moyen de la machine ~$50-150/heure
• Main d'œuvre pour le pré/post-traitement

Taille de la pièce

• Les pièces plus grandes nécessitent plus de matériaux et de temps de construction
• Les petites pièces peuvent être imbriquées pour plus d'efficacité

Post-traitement

• Traitement thermique, CNC, finition augmentent les coûts

Coût total par pièce

• Petites pièces ~ $20-$50 par pouce cube
• Grandes pièces ~$5-$15 par pouce cube

Une utilisation plus élevée via la production par lots et l’imbrication réduit le coût par pièce.

Contrôle et optimisation des processus

Paramètres de processus critiques à contrôler :

• Puissance – Influence la taille du bain de fusion, la pénétration et le taux de construction
• Vitesse – Résolution des impacts, état de surface, formes des dépôts
• Décalage de la mise au point – Contrôle la forme du faisceau, la pénétration, les défauts
• Épaisseur de la couche – Détermine la résolution de l’axe Z, le temps de construction
• Espacement des trappes – Ajuster pour obtenir la densité requise, éviter la formation de boules
• Stratégie d'analyse – Les modèles de contour unidirectionnels, en îlot, affectent les contraintes résiduelles et la distorsion
• Préchauffer – Améliore le frittage des poudres, réduit les fissures et les déformations

Les plans d'expériences combinés aux études de bassins de fusion et à la caractérisation microstructurale éclairent la sélection des paramètres pour obtenir les propriétés souhaitées.

Post-traitement

Étapes typiques de post-traitement EBM :

• Suppression – Dépoudrage pour détacher les pièces du plateau de construction
• Suppression du support – Couper les structures de support si nécessaire
• Soulagement du stress – Traitement thermique pour éviter les fissures
• Finition de surface – Usinage, meulage, polissage pour améliorer la finition
• Pressage isostatique à chaud – Applique de la chaleur et de la pression pour fermer les pores résiduels et améliorer la densité
• L'inspection – Confirmation des dimensions, de la composition des matériaux, des défauts

La minimisation des supports et du post-traitement est une considération clé lors de la conception des pièces EBM.

Qualifications et certifications

Les pièces EBM destinées aux industries réglementées nécessitent :

• Tests selon les normes applicables telles que ASTM F2924, ASTM F3001, etc.
• Contrôle métrologique approfondi des dimensions critiques et de la qualité des surfaces
• Analyse de la composition des matériaux par analyse chimique, caractérisation de la microstructure
• Évaluation des propriétés mécaniques telles que les tests de traction, de fatigue et de ténacité à la rupture
• Contrôle non destructif par tomographie à rayons X, ressuage, etc.
• Documentation de la traçabilité complète de la poudre, des paramètres de fabrication, du post-traitement, etc.
• Qualification et certification formelles des pièces par les organismes compétents

Le respect des protocoles et des normes établis garantit que les pièces répondent aux exigences de qualité strictes.

EBM comparé à d’autres AM métalliques

Avantages de l'EBM

• Excellentes propriétés matérielles grâce à un refroidissement plus rapide
• Productivité élevée et faible coût par pièce
• Structures de soutien minimales nécessaires
• Insensible aux contraintes résiduelles et à la distorsion
• L'environnement sous vide empêche l'oxydation
• Gradients thermiques inférieurs par rapport aux processus laser

Limites

• Matériaux conducteurs uniquement, options de matériaux limitées actuellement
• Plus de contraintes géométriques que la FA laser
• La finition de surface rugueuse nécessite souvent un post-usinage
• Le coût de l'équipement est plus élevé que celui des systèmes laser

Mise en œuvre réussie de l'EBM

Clés de l’adoption de l’EBM :

• Évaluer les exigences d'application des pièces par rapport aux capacités EBM
• Évaluer l'utilisation attendue de la machine pour déterminer le retour sur investissement
• Tenir compte du temps/coût de post-traitement lors de la planification
• Collaborez avec des bureaux de services expérimentés pour minimiser la courbe d’apprentissage
• Tirez parti de l’expertise en conception d’EBM pour repenser les pièces afin d’optimiser leur fabricabilité.
• Passez du prototypage à la production en série pour maximiser la productivité
• Mettre en œuvre des protocoles robustes de gestion de la qualité et de certification

Une approche de mise en œuvre holistique permet aux entreprises de tirer parti des avantages de l'EBM et de devenir des leaders en matière de production.

FAQ

Quels matériaux sont utilisés dans EBM ?

Les alliages de titane, les superalliages de nickel, les aciers à outils, le chrome-cobalt et les aciers inoxydables sont courants. Les alliages standard et personnalisés optimisés pour EBM peuvent être imprimés.

Comment le coût de l’EBM se compare-t-il à celui des autres procédés de fabrication additive métallique ?

Les machines EBM et la matière première en poudre sont plus chères que les systèmes FA laser. Mais des taux de construction et une productivité plus élevés peuvent compenser cela pour les applications de production.

Quelles sont les principales différences entre l’EBM et la fusion sélective au laser ?

Des taux de construction plus rapides, un fonctionnement à température élevée et d'excellentes propriétés des matériaux différencient l'EBM, tandis que les limitations en matière de finition de surface et de liberté géométrique constituent les principaux compromis.

Quels types de post-traitement sont généralement requis pour les pièces EBM ?

Le retrait du support, le traitement thermique de soulagement du stress, le pressage isostatique à chaud et la finition de surface comme l'usinage CNC sont courants. La réduction des supports lors de la conception réduit le post-traitement.

Quelles tailles de pièces peuvent être construites à l’aide de la technologie EBM ?

Les petits systèmes de table ont des volumes de construction inférieurs à 100 mm au cube, tandis que les grands systèmes de production peuvent accueillir des pièces de plus d'un mètre. La taille maximale augmente avec les nouvelles machines grand format.

Conclusion

Les capacités de fusion rapide uniques d'EBM permettent de fabriquer des composants métalliques complexes avec des propriétés et une productivité inégalées. Même si les coûts des équipements et les options matérielles ont jusqu’à présent limité leur adoption, les progrès continus ouvrent la voie à de nouvelles applications dans les secteurs de l’aérospatiale, de la médecine, de la défense, de l’automobile et de l’énergie. L'avenir d'EBM s'annonce prometteur, car la qualité et la fiabilité des pièces continuent de s'améliorer tandis que les poudres métalliques deviennent plus disponibles et plus abordables. Les fabricants informés qui exploitent les avantages de l'EBM tout en tenant compte de ses limites sont sur le point de perturber les opérateurs historiques et de devenir de nouveaux leaders.

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