Équipement de fusion par faisceau d'électrons

Vue d'ensemble équipement de fusion par faisceau d'électrons Technologie

L'équipement de fusion par faisceau d'électrons est une technologie de fabrication additive utilisée pour fusionner des poudres métalliques couche par couche à l'aide d'un faisceau d'électrons de grande puissance dans un environnement sous vide. L'équipement de fusion par faisceau d'électrons offre des capacités inégalées par les autres méthodes d'impression 3D de métaux en termes de vitesse de fabrication, de densité des pièces, de contraintes résiduelles et de propriétés mécaniques.

Les principales caractéristiques de la technologie de fusion par faisceau d'électrons sont les suivantes :

Tableau 1 : Aperçu des caractéristiques de la fusion par faisceau d'électrons

Attribut	Détails
Source de chaleur	Faisceau d'électrons de haute puissance
Environnement	Vide poussé
Matières premières	Lit de poudre métallique
Contrôle du faisceau	Lentilles électromagnétiques / bobines de déviation
Mode construction	Fusion métallique couche par couche
Applications	Aérospatiale, médecine, automobile, outillage

Les machines EBM permettent de faire fondre rapidement des matériaux conducteurs pour obtenir des composants entièrement denses dont les propriétés sont équivalentes ou supérieures à celles des méthodes de fabrication traditionnelles.

L'environnement sous vide contrôlé et la distribution intelligente d'énergie minimisent les problèmes d'oxydation ou de contamination pendant le traitement. Cela permet d'obtenir des densités très élevées et une excellente intégrité structurelle, parfaite pour les applications critiques.

En tirant parti de la puissance élevée du faisceau pour des taux de balayage rapides à travers chaque couche, l'EBM permet des vitesses de construction extrêmement rapides, impossibles à atteindre avec des systèmes à base de laser. Cet avantage en termes de productivité est un facteur clé de l'adoption de la technologie.

Types de équipement de fusion par faisceau d'électrons Systèmes

Il existe sur le marché plusieurs catégories d'équipements EBM offrant différentes tailles d'enveloppe de construction, différents niveaux de puissance de faisceau et différentes capacités de production adaptées à différentes applications.

Tableau 2 : Types d'équipements de fusion par faisceau d'électrons

Classe de machine	Taille du bâtiment	Puissance du faisceau	Utilisations typiques
Petites enveloppes	150 x 150 x 150 mm	3-4 kW	Dispositifs dentaires et médicaux
Plateformes standard	200 x 200 x 350 mm	6-8 kW	Composants aérospatiaux, outillage
Plateformes de milieu de gamme	400 x 400 x 400 mm	14-16 kW	Pièces automobiles, pièces d'avion de plus grande taille
Grandes enveloppes	800 x 800 x 500 mm	30-60 kW	Supports structurels, pales de turbines

Les équipements de plus grande taille facilitent l'utilisation de composants plus volumineux dans des secteurs tels que l'aérospatiale et l'automobile, afin de réduire le nombre de pièces d'assemblage. Les machines plus petites et moins puissantes sont destinées à des applications de grande valeur dans les secteurs médical et dentaire.

La plupart des constructeurs de systèmes EBM proposent des architectures de machines modulaires permettant d'augmenter la capacité, la puissance du faisceau et le volume de construction en fonction de l'adoption par les clients et de l'évolution des exigences des applications.

Principes de base de la technologie de fusion par faisceau d'électrons

Les principaux sous-systèmes et étapes de traitement impliqués dans la fabrication additive par faisceau d'électrons sont les suivants :

Tableau 3 : Aperçu des principes fondamentaux de la fusion par faisceau d'électrons

Stade	Fonction	Composants clés
1. Manipulation des poudres	Alimenter de nouvelles couches de matériel	Trémies et râteaux à poudre
2. Génération de faisceaux	Créer/accélérer un faisceau d'électrons	Cathode du filament de tungstène, tension anodique
3. Focalisation du faisceau	Electromagnétique faisceau convergent	Lentilles à bobine magnétique
4. Déviation	Emplacement du faisceau focalisé direct	Bobines de déviation
5. Système de vide	Garantir un environnement exempt de contaminants	Pompes de diffusion, valves, capteurs
6. Système de contrôle	Coordonner et contrôler toutes les fonctions	Ordinateur, logiciel, capteurs

Une machine EBM nécessite le fonctionnement intégré de ces sous-systèmes pour fabriquer efficacement des pièces couche par couche à partir de poudre métallique :

• La déflexion du faisceau à grande vitesse dirige les régions en fusion avec précision à travers chaque couche du lit de poudre.
• Le vide élimine la contamination gazeuse et empêche l'oxydation/nitrification des matériaux.
• Les râteaux à poudre répandent efficacement le matériau frais en garantissant la densité.
• Des capteurs en boucle fermée fournissent un retour d'information garantissant la précision des dimensions
• Des commandes informatiques robustes coordonnent chaque aspect du processus de construction.

La combinaison unique d'une poudre de métal pur consommable avec une source d'énergie de haute intensité dans une chambre à vide permet une fusion et une solidification très rapides pour des propriétés métallurgiques exceptionnelles.

La compréhension de ces principes fondamentaux aide les acheteurs à sélectionner des équipements optimisés pour leurs objectifs, qu'il s'agisse de maximiser la productivité, la qualité des pièces, les coûts d'exploitation ou les exigences de l'application.

Spécifications des machines de fusion par faisceau d'électrons

Les acheteurs doivent prendre en compte de nombreuses spécifications de performance lorsqu'ils choisissent l'équipement EBM qui correspond le mieux à leurs besoins de production et à leurs conditions d'exploitation.

Tableau 4 : Principales spécifications de l'équipement de fusion par faisceau d'électrons

Paramètres	Gamme typique	Importance
Puissance du faisceau	3-60 kW	Taux de construction, taille maximale des pièces
Vitesse du faisceau	Jusqu'à 8 m/s	Temps de pose, productivité
Taille du spot	50-200 μm	Résolution, définition fine des caractéristiques
Actuel	1-50 mA	Compatibilité des matériaux, optimisation des faisceaux
Tension accélératrice	30-150kV	Profondeur de pénétration, poudre non fondue
Niveau de vide	5 x 10-5 mbar	Pureté, intégrité des matériaux
Épaisseur de la couche de poudre	50-200 μm	Résolution verticale, densité

La compréhension des spécifications telles que la puissance du faisceau, la vitesse de balayage, la taille du spot et l'épaisseur minimale de la couche permet de sélectionner une machine adaptée à l'application prévue et aux objectifs de rendement.

D'autres facteurs essentiels influencent la sélection du système :

• Logiciel de contrôle : Capacités de configuration efficace de la construction, outils d'optimisation pour le développement des paramètres, fonctions de surveillance et d'analyse, et compatibilité avec les flux de travail numériques de CAO/FAO en aval.
• Palette de matériaux : Le nombre de matériaux qualifiés disponibles auprès de l'équipementier détermine la gamme d'applications accessibles à l'équipement. Les choix de métaux prioritaires comprennent le titane, les superalliages de nickel, les aciers à outils, l'acier inoxydable, le chrome cobalt et l'aluminium.
• Matériel auxiliaire : Exigences relatives aux outils supplémentaires de manutention des poudres, aux stations de post-traitement, aux outils de tamisage, au traitement thermique externe, aux fours HIP et aux systèmes de recyclage des poudres.
• Services : Valeur des contrats de maintenance, de l'assistance à l'optimisation des applications, des services de formation des opérateurs et des dispositions relatives à la relocalisation des équipements.

Une évaluation minutieuse des spécifications des machines par rapport aux demandes de production actuelles et futures facilite les décisions d'investissement appropriées dans la capacité EBM.

Vue d'ensemble de l'économie du processus de fusion par faisceau d'électrons

Outre les coûts d'acquisition des équipements, les entreprises manufacturières ont besoin de projections réalistes de l'ensemble des aspects économiques de la production liés à la mise en œuvre de la technologie EBM.

Tableau 5 : Résumé des aspects économiques du traitement des EBM

Élément de coût	Gamme typique
Acquisition de machines	$800 000 à $2 500 000
Installation	$50,000 à $250,000
Infrastructure des installations	$100 000 à $500 000
Équipement auxiliaire pour les poudres	$50,000 à $150,000
Matériel annuel	$100 000 à $800 000
Pièces consommables	$20 000 à $100 000
Travail d'exploitation	1 à 3 opérateurs par système
Consommation d'énergie	$15,000 à $50,000
Contrats de maintenance	$50,000 à $150,000

Avec des prix de machines allant d'environ $800 000 pour les systèmes de démarrage à $2 500 000 pour les grandes solutions industrielles, l'équipement ne représente qu'une partie de l'équation globale de l'investissement.

Les autres variables clés qui influencent la rentabilité des opérations et le calcul du retour sur investissement sont les suivantes :

• Utilisation des matériaux : La poudre peut représenter jusqu'à 30% du coût total des pièces, optimiser les stratégies d'achat et de fabrication et les ratios de réutilisation.
• Travail : La manipulation manuelle ou automatisée des poudres et des pièces a un impact sur les besoins en personnel. Poursuivre l'optimisation de la fabrication afin de maximiser les temps d'exécution sans surveillance.
• Installation : Les dépenses liées à l'installation, à l'énergie, au contrôle de l'environnement et aux équipements auxiliaires s'additionnent. Il faut également tenir compte des coûts liés à la sécurité, aux services publics et à la conformité.
• Entretien : L'entretien préventif est crucial pour le temps de fonctionnement, la qualité de la production et la longévité de l'équipement. Comparez les options de service des équipementiers à celles des services internes.

L'analyse de ces facteurs de coût avant l'acquisition d'une capacité EBM facilite la planification réaliste des activités. La modélisation des scénarios de production de pièces à l'aide de données de performance réelles améliore la visibilité des risques financiers et des perspectives de rentabilité.

Matériaux populaires pour la fusion par faisceau d'électrons

L'intensité élevée du faisceau et l'environnement sous vide permettent à l'EBM de traiter des alliages réactifs et réfractaires difficiles à fondre avec d'autres méthodes additives ou procédés de coulée.

Tableau 6 : Matériaux couramment utilisés pour la fusion par faisceau d'électrons

Classe de matériaux	Exemples d'alliages	Applications
Alliages de titane	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI	Structures aérospatiales
Superalliages de nickel	Inconel 718, Inconel 625	Aubes de turbines, systèmes d'échappement
Aciers à outils	H13, Maraging 300	Moules d'injection, outillage
Chrome cobalt	CoCrMo	Implants médicaux/dentaires
Aciers inoxydables	17-4PH, 316L	Résistance à la corrosion nécessaire
Alliages exotiques et personnalisés	Cu, Al, Ta, W, Mo	Électronique, recherche

Les matériaux les plus populaires pour l'EBM restent les alliages de titane pour les composants aérospatiaux légers, les superalliages de nickel pour la résistance aux températures extrêmes et le chrome-cobalt de qualité médicale pour les implants biocompatibles.

Cependant, la flexibilité de la fusion sur lit de poudre permet d'accommoder pratiquement n'importe quel système d'alliage, y compris les éléments réactifs comme l'aluminium ou les métaux réfractaires qui posent des problèmes de fusion avec les méthodes traditionnelles. Cela facilite l'innovation dans des domaines tels que la gestion thermique de l'électronique, les composants de spectroscopie et les applications à haute température supérieures à 1 000 °C.

Grâce à l'environnement de traitement sous vide qui atténue les problèmes de contamination, la qualité et l'intégrité des matériaux se comparent très favorablement aux procédés concurrents d'AM ou de moulage.

Avantages de la technologie de fusion par faisceau d'électrons

Outre la facilitation de taux de fabrication très élevés, inégalés par les autres technologies de lit de poudre, l'EBM offre d'autres avantages qui en font le procédé de choix pour les applications critiques dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine et de l'industrie.

Tableau 7 : Principaux avantages de la fusion par faisceau d'électrons

Bénéfice	Description
Haute densité	Approche du 100% grâce à l'énergie élevée du faisceau et au vide
Propriétés exceptionnelles des matériaux	Améliorée par rapport à la fonte ou à la forge
Taux de dépôt élevés	Des vitesses de construction jusqu'à 10 fois plus rapides que les systèmes à base de laser
Faible contrainte résiduelle	70-90% moins de distorsions ou de fissures
Liberté de conception	Facilitation de la géométrie complexe
Acheter : personnaliser	Combiner plusieurs pièces en un assemblage complexe

Voici quelques exemples spécifiques où l'EBM apporte une valeur ajoutée par rapport à la fabrication conventionnelle :

Productivité

• Production d'aubes de turbine en Inconel 718 à un rythme dix fois supérieur à celui des techniques de moulage de précision.
• Fabrication simultanée de plus de 10 implants de hanche en raison de volumes de fabrication plus importants.
• L'automatisation de la manutention des poudres et des files d'attente permet d'assurer une production 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sans interruption.

Performance

• Création de supports satellites en Ti-6Al-4V avec un rapport résistance/poids supérieur.
• Proposer des bridges dentaires en chrome cobalt avec une finition esthétique et une précision supérieures.
• Fabrication d'un outillage H13 avec refroidissement conforme permettant d'allonger la durée de vie des moules d'injection.

Qualité

• Obtenir des microstructures de matériaux plus propres et totalement exemptes de défauts de microporosité, fréquents dans le domaine du moulage.
• Garantir l'absence de contraintes internes et de distorsions grâce à des températures de préchauffage élevées.
• Prévenir la contamination des matériaux réactifs en tirant parti de l'environnement sous vide poussé.

Les conditions de fusion uniques facilitées par la technologie du faisceau d'électrons prouvent à maintes reprises qu'il s'agit de la meilleure solution d'AM pour les applications de grande valeur nécessitant des performances matérielles exceptionnelles.

Populaire Equipement EBM Fournisseurs

Un grand nombre d'organisations industrielles établies et de start-ups spécialisées proposent des solutions de fusion par faisceau d'électrons qui répondent aux différents obstacles à l'adoption par les clients dans tous les segments du marché.

Tableau 8 : Principaux fournisseurs d'équipements de fusion par faisceau d'électrons

Fournisseur	Détails	Segments cibles
Arcam EBM (additif GE)	Pionnier de la première machine EBM	Aérospatiale, médecine, automobile
Sciaky	Les plus grandes enveloppes de construction	Structures aérospatiales
JEOL	Plates-formes de niveau recherche	Universités
Wayland Additive	Systèmes budgétaires	Job shops
6K	Poudres métalliques à faible coût	Développement des processus

Parmi les autres fabricants d'équipements ciblant les applications du faisceau d'électrons en dehors de la fabrication additive traditionnelle, on peut citer

• Canon - Solutions de soudage par faisceau d'électrons
• Groupe PTR - Fours et soudeurs à faisceau d'électrons
• IBE Services - Petites soudeuses à faisceau d'électrons
• Teta - Soudage EB industriel à haute puissance

Le leader du secteur, Arcam EBM (qui fait maintenant partie de GE Additive), a établi une position dominante en termes de brevets et de parts de marché après avoir introduit la première machine EBM commerciale en 2002. Il reste le premier fournisseur d'équipements dans les secteurs de l'aérospatiale, des appareils médicaux, de l'automobile et de l'industrie.

La plupart des fournisseurs s'appuient sur des partenariats avec des producteurs de matériaux, des groupes de recherche et des organisations d'utilisateurs finaux pour améliorer en permanence les capacités des processus EBM en fonction des demandes de production réelles. Ces efforts de collaboration en matière d'amélioration de la technologie permettront à terme d'étendre l'adoption à un nombre encore plus important d'applications industrielles critiques.

FAQ

Q : Quelle est la taille de l'installation nécessaire pour accueillir l'équipement EBM ?

R : L'espace minimum au sol est d'environ 100 m² pour les petites machines, mais les plates-formes plus grandes occupant plus de 500 m² sont courantes. Les stations supplémentaires de manutention des poudres et de post-traitement occupent généralement une surface supplémentaire de plus de 500 m². Les installations requièrent des plafonds d'au moins 1,80 m et un renforcement pour les équipements lourds dont la charge dépasse 12 000 livres.

Q : Quels sont les matériaux incompatibles avec le traitement EBM ?

R : Les alliages d'aluminium présentent des risques d'oxydation en l'absence d'environnements inertes appropriés. Les métaux réfractaires dont la température de fusion est supérieure à 3600°C, comme le tungstène ou le rhénium, ne conviennent pas. Sinon, l'EBM convient à la plupart des systèmes d'alliage.

Q : Combien d'opérateurs formés sont nécessaires par machine EBM ?

R : Un opérateur de machine peut généralement superviser plusieurs machines EBM en fonction du niveau d'automatisation et des volumes de production. Du personnel supplémentaire est nécessaire pour les opérations sur les poudres, le post-traitement, les activités de qualité, la maintenance et l'assistance technique.

Q : Quels sont les risques de sécurité associés à la technologie EBM ?

R : Les faisceaux d'électrons à haute tension présentent des risques d'éclair d'arc électrique qui nécessitent des enceintes et des contrôles de sécurité appropriés. Les risques d'exposition aux poudres métalliques réactives nécessitent également des équipements de protection et des protocoles de manipulation pour éviter les risques d'incendie et les dangers pour la santé. Une formation adéquate est essentielle.

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