Introduction au processus EBM

La fusion par faisceau d'électrons (EBM) est un processus de fabrication additive qui utilise un faisceau d'électrons pour faire fondre sélectivement de la poudre métallique couche par couche afin de créer des pièces entièrement denses. Ce guide fournit un aperçu approfondi de Processus EBM y compris son fonctionnement, les matériaux, les applications, les avantages, les considérations de conception, l'équipement, le post-traitement, le contrôle qualité, les comparaisons, les coûts et les FAQ.

Introduction à la fusion par faisceau d'électrons (EBM)

La fusion par faisceau d'électrons est un type de fabrication additive par fusion sur lit de poudre dans lequel un faisceau d'électrons fusionne sélectivement des régions d'un lit de poudre pour construire des pièces par couches.

Les principaux avantages de l'EBM sont les suivants

• Pièces métalliques entièrement denses
• Excellentes propriétés mécaniques
• Bonne finition de surface et bonne résolution
• Taux de fabrication élevés et faibles coûts par pièce
• Structures de soutien minimales nécessaires
• Des résultats reproductibles et cohérents

EBM permet la production directe de composants métalliques complexes et hautes performances dans les applications aérospatiales, médicales, automobiles et industrielles.

Comment fonctionne le processus EBM

Le processus EBM comprend les étapes clés suivantes :

Processus de fusion par faisceau d'électrons

• Modèle CAO découpé en couches
• Poudre étalée en fine couche
• Un faisceau d'électrons scanne et fait fondre la poudre
• Couche fusionnée sur les couches précédentes
• Répété en couches jusqu'à ce que la pièce soit construite
• Pièce de support en poudre non fondue
• Retrait de la machine et post-traitement

En faisant fondre sélectivement les couches de poudre, des géométries complexes peuvent être fabriquées directement à partir de données numériques.

Matériaux pour EBM

EBM peut traiter une gamme de matériaux conducteurs, notamment :

• Alliages de titane comme Ti6Al4V
• Alliages cobalt-chrome
• Superalliages à base de nickel
• Aciers à outils comme H13
• Alliages d'aluminium
• Cuivre pur
• Métaux précieux comme l'or, l'argent

Les alliages standard et personnalisés optimisés pour la fabrication additive peuvent être imprimés avec la technologie EBM. La nature du lit de poudre permet d’obtenir des alliages difficiles à traiter par d’autres méthodes.

Applications EBM

EBM est bien adapté aux composants qui bénéficient de :

• Géométries complexes uniquement possibles avec la fabrication additive
• Délais de production courts
• Rapport résistance/poids élevé
• Bonne résistance à la fatigue et à la rupture
• Excellentes propriétés mécaniques
• Biocompatibilité et résistance à la corrosion
• Performances à haute température
• Consolidation des pièces – réduisez les étapes d’assemblage

Les applications industrielles comprennent :

• Aéronautique : supports structurels, roues de turbocompresseur, pièces de moteur
• Médical : implants orthopédiques, instruments chirurgicaux
• Automobile : structures en treillis allégées
• Industriel : échangeurs de chaleur, pièces de manipulation de fluides

EBM prend en charge les conceptions innovantes dans tous les secteurs grâce à de larges options d’alliages et à d’excellentes propriétés mécaniques.

Avantages de la fabrication additive par fusion par faisceau d’électrons

Les principaux avantages du processus EBM comprennent :

• Pièces métalliques entièrement denses – Atteignez une densité de 99,9%+ correspondant et dépassant les propriétés de fonte.
• Propriétés mécaniques – Excellentes résistance, résistance à la fatigue, dureté et résistance à la rupture.
• Taux de construction élevés – Plus de 100 cm3/heure possible en scannant plusieurs régions simultanément.
• Faibles coûts d’exploitation – L’électricité est le principal coût d’exploitation. Consommez moins d’énergie que les processus laser.
• Prise en charge minimale – Les pièces s'autosupportent pendant la construction, nécessitant peu de traitement après le retrait du support.
• Recyclabilité des poudres – La poudre inutilisée peut être réutilisée, ce qui réduit considérablement les coûts de matériaux.
• Réduction des déchets – Des taux de réutilisation de poudre très élevés et une production proche de la forme nette entraînent moins de déchets que les processus d’usinage.
• Consolidation partielle – Combinez les assemblages en pièces imprimées uniques pour réduire les étapes de fabrication et d’assemblage.

Pour la production de métaux dans les applications aérospatiales, médicales, automobiles et industrielles, EBM fournit des résultats de fabrication additive de haute performance qui ne sont pas facilement égalés par d'autres méthodes.

Considérations relatives à la conception de l'EBM

Pour utiliser pleinement les avantages de l'EBM, les conceptions doivent suivre les principes de conception AM :

• Utiliser des formes organiques et bioniques impossibles par usinage
• Minimisez les supports en concevant une géométrie appropriée
• Optimiser les épaisseurs de paroi pour un équilibre entre vitesse et résistance
• Tenir compte des capacités de taille minimale des fonctionnalités
• Orienter les pièces pour maximiser la résolution et les propriétés mécaniques
• Consolider les sous-ensembles en pièces uniques lorsque cela est possible
• Considérez les effets de la fabrication par couches
• Concevoir des canaux internes pour l'élimination de la poudre non fondue

Travaillez avec des spécialistes expérimentés en ingénierie AM pour concevoir des pièces hautes performances adaptées aux capacités EBM.

Équipement pour le processus EBM

Les systèmes EBM se composent de :

• Colonne à faisceau d'électrons – Faisceau d’électrons puissant
• Cassettes à poudre – Livrer de la poudre fraîche
• Trémies à poudre – Nourrir la poudre par couches
• Construire un réservoir – Contient la plateforme de construction et les pièces en croissance
• Pompe à vide – Maintient un vide poussé pendant les constructions
• Contrôles – Logiciel pour préparer et suivre les builds

Les systèmes EBM industriels permettent à la fois le prototypage et la production en série. Les fabricants incluent Arcam EBM et GE Additive.

Spécifications clés de la machine EBM :

• Taille de l'enveloppe de construction – diamètre jusqu'à 500 mm, hauteur jusqu'à 380 mm
• Puissance du faisceau – Jusqu'à 3,7 kW
• Mise au point du faisceau – Taille du spot jusqu'à 0,1 mm
• Vitesse de construction – Plus de 700 cm3/heure possible
• Vide – Vide élevé de 10 à 4 mbar requis
• Contrôle précis des couches – épaisseur 0,05 mm

Des options telles que plusieurs trémies à poudre ou des pistolets à faisceau permettent un débit plus élevé. La chambre de fabrication est maintenue sous vide poussé pendant l'impression à l'aide de pompes à vide intégrées.

Post-traitement EBM

Après impression, les pièces subissent un post-traitement :

• Élimination de la poudre – L’excédent de poudre est récupéré et tamisé pour être réutilisé
• Suppression du support – Retrait manuel minimal du support nécessaire
• Traitement thermique – Soulagement du stress et modification de la microstructure selon les besoins
• Finition de surface – Usinage, sablage, meulage ou polissage si nécessaire

Étant donné que les structures de support sont minimes et que la haute densité est obtenue directement à partir de la machine EBM, le post-traitement est relativement simple par rapport à certaines autres méthodes de fabrication additive.

Contrôle qualité pour EBM

Des résultats cohérents de haute qualité nécessitent des procédures telles que :

• Constructions de validation pour composer les paramètres et vérifier les propriétés
• Suivi des caractéristiques des poudres et réutilisation
• Tests de propriétés mécaniques pour qualification
• Scanner ou inspection aux rayons X de géométries internes complexes
• Contrôles de précision dimensionnelle
• Mesure de la rugosité de surface
• Documentation des paramètres de build et traçabilité des lots
• Étalonnage et maintenance périodiques des équipements EBM

Travaillez avec des fournisseurs expérimentés dotés de systèmes qualité rigoureux adaptés aux secteurs réglementés nécessitant une qualification de pièces.

Comment EBM se compare à d’autres méthodes additives

EBM contre SLM :

• EBM utilise des électrons tandis que SLM utilise un laser
• EBM a des taux de construction plus élevés tandis que SLM offre une résolution plus fine
• EBM ne nécessite pas de gaz inerte alors que SLM utilise normalement de l'azote
• Les deux produisent des pièces métalliques presque entièrement denses dans un lit de poudre

EBM ou jet de liant :

• L'EBM fait fondre la poudre tandis que le jet de liant colle les particules ensemble
• L'EBM crée des pièces denses >99% tandis que le jet de liant produit une pièce « verte » nécessitant un frittage.
• Les métaux EBM conservent d'excellentes propriétés tandis que le jet de liant a des performances inférieures

EBM contre DED :

• EBM utilise un lit de poudre plutôt que de la poudre soufflée pour le DED
• L'EBM a une précision et une finition de surface plus élevées tandis que le DED est plus rapide
• EBM a un minimum de supports tandis que DED a besoin de plus de supports

Pour les volumes faibles à moyens de pièces métalliques d'utilisation finale, l'EBM rivalise favorablement avec d'autres processus de fabrication additive à base de poudre en termes de coût.

Répartition des coûts des pièces EBM

Lors de l'analyse des coûts des pièces EBM, les facteurs clés incluent :

• Coût des machines – Tarif horaire de location simple. Fonctionne ~$100-$300/heure.
• Travail – Conception de pièces, optimisation, pré/post traitement.
• Poudre – Le choix des matériaux et les taux de réutilisation affectent grandement les coûts.
• L'énergie – Électricité pour faire fonctionner la machine EBM et les équipements auxiliaires.
• Contrôle de qualité – Le degré de test dépend de l’application.
• Post-traitement – La plupart du temps automatisé signifie des coûts de traitement inférieurs.
• Volume – La mise en place est un coût fixe amorti pour les volumes plus élevés.

L'exploitation des règles de conception EBM et des procédures de qualité adaptées aux applications de production permet d'obtenir des pièces métalliques très rentables, impossibles à réaliser par d'autres moyens.

Tendances de l'innovation dans la technologie EBM

Les progrès de la technologie et des applications EBM comprennent :

• Des enveloppes de construction plus grandes et des taux de numérisation plus rapides permettant une production de volumes plus élevés
• Systèmes multifaisceaux de nouvelle génération pour un débit accru
• Options de matériaux étendues comme le cuivre, l'aluminium et les alliages personnalisés
• Équipement automatisé de manipulation de poudre et de métrologie interne
• Centres d'usinage hybrides EBM et CNC
• Logiciel de conception intégrant des capacités EBM pour la « conception pour la fabrication additive »
• Optimisation de la chaîne d'approvisionnement avec des modèles de fabrication distribués

Ces innovations entraîneront une adoption accrue de l'EBM dans les secteurs réglementés appréciant la qualité, la cohérence et les performances de la technologie.

FAQ

Q : Quels matériaux pouvez-vous traiter avec EBM ?

R : Le titane, les superalliages de nickel, les aciers à outils, le chrome-cobalt, l'aluminium et les métaux précieux sont couramment traités. Des alliages standard et personnalisés optimisés pour la fabrication additive peuvent être utilisés.

Q : Quelles industries utilisent l’EBM ?

R : Les secteurs de l'aérospatiale, du médical, de l'automobile et de l'industrie tirent parti de l'EBM pour fabriquer des pièces métalliques d'utilisation finale de haute performance, difficiles à fabriquer de manière conventionnelle.

Q : Quelle est la finition de surface typique ?

R : Les finitions de surface telles qu'imprimées dans la plage Ra de 15 à 25 microns sont typiques, mais peuvent être améliorées davantage avec un post-traitement si nécessaire.

Q : Quelle est la précision de l’EBM par rapport à l’usinage CNC ?

R : La précision dimensionnelle comprise entre 0,1 et 0,3% est standard pour la technologie EBM, comparable ou supérieure à la précision usinée pour la plupart des fonctionnalités.

Q : Quels types de canaux et de géométries internes peuvent être produits ?

R : Des canaux et des treillis complexes de forme libre avec des diamètres allant jusqu'à 1 à 2 mm peuvent être fabriqués de manière fiable à l'aide de la technologie EBM.

Q : Pouvez-vous galvanoplastir des pièces EBM ?

R : Oui, les pièces EBM peuvent être électriquement conductrices et accepter facilement des placages tels que le chrome, l'or ou l'argent si nécessaire.

Q : Les propriétés mécaniques sont-elles comparables à celles des métaux forgés ?

R : Oui, les pièces EBM atteignent ou dépassent la résistance à la traction, à la fatigue et à la rupture de leurs équivalents corroyés.

Q : Combien de temps faut-il pour fabriquer une pièce ?

R : La vitesse de construction dépend de la géométrie mais varie de 5 à 20 cm3/heure sur les machines EBM modernes, permettant un délai d'exécution rapide.

Q : L'EBM nécessite-t-elle des supports ?

R : Des supports minimaux sont nécessaires en raison de la température élevée du lit de poudre. Réduit le temps de post-traitement.

Q : L’EBM est-il respectueux de l’environnement ?

R : EBM présente de bonnes références en matière de durabilité grâce à des taux de réutilisation élevés des poudres et à de faibles déchets par rapport aux processus soustractifs. La consommation d’énergie par pièce diminue avec les équipements de nouvelle génération.

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