comprendre la technologie EBM

Technologie EBM est une technologie avancée de fabrication additive dotée de capacités uniques. Ce guide fournit une vue d'ensemble de la technologie EBM, y compris son fonctionnement, ses avantages, ses applications, les fournisseurs de systèmes et une comparaison avec d'autres processus d'impression 3D.

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

La fusion par faisceau d'électrons est une technique de fabrication additive qui utilise un faisceau d'électrons pour fondre et fusionner sélectivement des particules de poudre métallique couche par couche. Caractéristiques principales :

• Utilise un faisceau d'électrons comme source d'énergie pour faire fondre la poudre de métal.
• Construction de pièces par fusion sélective de couches de poudre
• Les matériaux typiques sont le titane, les alliages de nickel, les aciers à outils, l'aluminium.
• Produit des pièces entièrement denses avec d'excellentes propriétés
• Prise en charge de géométries complexes impossibles à réaliser avec le moulage ou l'usinage
• Liberté de conception, personnalisation, réduction des délais d'exécution

L'EBM permet d'obtenir d'excellentes propriétés mécaniques, une pureté des matériaux, une finition de surface et une précision dimensionnelle dans les pièces d'utilisation finale dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile et d'autres industries.

Ce guide fournit un aperçu détaillé du processus EBM, des technologies, des avantages, des applications, des fournisseurs de systèmes et de la comparaison avec d'autres méthodes d'AM.

Comment Technologie EBM Travaux

La fusion par faisceau d'électrons permet de fabriquer des pièces en suivant les étapes clés suivantes :

Étapes du processus EBM

• Le modèle 3D conçu dans le logiciel de CAO est converti en fichier .STL
• Le fichier est découpé en couches et la séquence de construction est générée.
• La poudre métallique est répartie uniformément sur la plaque de construction
• Le faisceau d'électrons balaie sélectivement la poudre et la fait fondre pour fusionner les couches.
• La plaque de construction s'abaisse et une nouvelle couche de poudre est répandue.
• Le processus se répète jusqu'à ce que la pièce entière soit construite couche par couche.
• La poudre non fusionnée soutient la pièce pendant la construction
• La pièce terminée est retirée de la machine pour être traitée ultérieurement.
• Le faisceau d'électrons à haute énergie permet une fusion et un soudage rapides et précis.
• Le processus se déroule à haute température sous vide pour garantir la pureté.
• La poudre non utilisée est récupérée et réutilisée, ce qui permet de minimiser les déchets.

Types de systèmes EBM

Il existe actuellement deux grands types de systèmes EBM :

Types de systèmes EBM

Type	Description
Système à un faisceau	Faisceau d'électrons unique
Système multi-faisceaux	Faisceaux parallèles multiples

• Systèmes à un faisceau utilisent un seul faisceau d'électrons de grande puissance, généralement de 50 à 60 kW. Les vitesses de fabrication sont plus lentes en raison des exigences de numérisation.
• Systèmes à faisceaux multiples utiliser plusieurs faisceaux ensemble pour une plus grande vitesse. Le temps de balayage est considérablement réduit.
• La puissance d'un faisceau unique est comprise entre 3 et 6 kW. La puissance totale des systèmes à faisceaux multiples est supérieure à 10 MW.
• Les systèmes multifaisceaux de dernière génération améliorent considérablement les cadences de fabrication.
• Le contrôle du faisceau, le balayage et la focalisation sont des sous-systèmes critiques pour la fusion de précision.

Matériaux pour EBM

L'EBM est compatible avec toute une série de métaux et d'alliages, notamment

Matériaux EBM

Matériau	Propriétés principales	Applications
Alliages de titane	Haute résistance, faible poids	Aérospatiale, médecine
Superalliages de nickel	Résistance à la chaleur et à la corrosion	Aubes de turbine
Aciers à outils	Dureté, résistance à l'usure	Outillage, moules
Aciers inoxydables	Résistance à la corrosion	Quincaillerie marine
Chrome cobalt	Biocompatibilité	Implants médicaux
Alliages d'aluminium	Léger	Automobile, structures
Alliages de cuivre	Conductivité électrique	Électronique

• Les alliages de titane tels que le Ti-6Al-4V sont les plus courants pour les composants critiques de l'aérospatiale.
• Les superalliages de nickel excellent dans les environnements à haute température comme les moteurs à turbine.
• Les aciers à outils offrent la dureté requise pour les moules et les outils de longue durée.
• Les alliages biocompatibles sont utilisés pour les implants et les dispositifs médicaux.
• L'EBM supporte mieux les métaux réactifs comme le titane et l'aluminium que les processus basés sur le laser.

Avantages et bénéfices de l'EBM

Les principaux avantages qui rendent l'EBM intéressant pour les applications de production sont les suivants :

Avantages de l'EBM

• Pièces entièrement denses et exemptes de vides
• Excellentes propriétés mécaniques
• Grande précision géométrique et dimensionnelle
• Bonne finition de la surface et détails fins
• Faibles exigences en matière de post-traitement
• Pièces de haute pureté avec moins de contamination
• Moins de déchets de matériaux grâce à la récupération de la poudre
• Prise en charge de géométries intérieures complexes
• Combine plusieurs pièces en un seul modèle

Vs. Fabrication traditionnelle

• Permet des conceptions plus légères et plus résistantes, impossibles à réaliser avec le moulage ou l'usinage.
• Consolidation des assemblages en pièces imprimées uniques
• Permet des formes qui ne peuvent pas être moulées ou forgées
• Réduit le délai d'exécution de plusieurs mois à quelques semaines
• Réduction des coûts pour la production de petits lots

Applications EBM

Les avantages de l'EBM en font un outil adapté :

Applications EBM

L'industrie	Utilisations
Aérospatiale	Aubes de turbines, cadres structurels, fusées
Médical	Implants orthopédiques, outils chirurgicaux
Automobile	Allègement des prototypes et des pièces sur mesure
Outillage	Moules d'injection, matrices de formage, gabarits et montages
L'énergie	Échangeurs de chaleur, vannes, pompes
Électronique	Blindage, contacts, systèmes de refroidissement

• L'aérospatiale utilise largement l'EBM pour fabriquer des pièces en titane et en alliage de nickel plus légères et plus résistantes.
• Le secteur médical tire parti de la liberté géométrique et de la biocompatibilité des implants EBM.
• Les chercheurs du secteur automobile l'utilisent pour produire des conceptions topologiques optimisées et légères.
• Des canaux de refroidissement conformes peuvent être intégrés dans l'outillage pour le moulage par injection.
• L'industrie du pétrole et du gaz l'utilise pour les composants à haute température et à haute pression.
• L'électronique bénéficie des détails fins et des alliages conducteurs de l'EBM.

Fournisseurs de systèmes EBM

Les principaux fabricants de systèmes EBM sont les suivants

Fournisseurs de machines EBM

Entreprise	Marques de machines
Arcam EBM	Arcam A2X, Q20plus, Spectra H, Q10plus
GE Additive	Arcam EBM Spectra L, Arcam EBM Spectra H
Freemelt	Freemelt ONE, Freemelt TWO
Wayland Additive	Calder

• Arcam EBM, qui fait désormais partie de GE Additive, est le leader du marché des systèmes EBM.
• D'autres entreprises, comme Freemelt et Wayland Additive, proposent des systèmes EBM multifaisceaux de nouvelle génération.
• Les capacités des machines vont des volumes de construction de 150 mm x 150 mm x 150 mm aux versions plus grandes de 1000 mm.
• Les dernières machines EBM permettent une manipulation automatisée des poudres et un recyclage en circuit fermé.
• Des paramètres personnalisés et un support de formation sont fournis pour différentes applications.

Analyse des coûts de l'EBM

Les coûts de production de l'EBM dépendent

Facteurs de coût de l'EBM

• Prix d'achat de la machine - $500.000 à plus de $2 millions
• Coût de la poudre de matériau par kg
• Coûts de main-d'œuvre pour la conception des pièces, l'exploitation, le post-traitement
• Volume de production
• Vitesse de construction et taux d'utilisation
• Consommation d'énergie
• Entretien des équipements et frais généraux

Gamme typique

• Petites pièces en Ti-6Al-4V : $20 - 150 par pièce
• Composants aérospatiaux de plus grande taille : $2000 - 15 000+
• La production en grande série avec des systèmes à faisceaux multiples permet de réduire les coûts.

Comparaison entre EBM et autres processus AM

EBM vs. autres métaux AM

	EBM	Laser PBF	DED	Jetting de liant
Matériaux	Ti, Ni, Al, aciers à outils	Ti, Al, aciers, Ni	La plupart des métaux	Aciers inoxydables
Densité	Densité totale 99%	Densité totale 99%	99% dense	90-95% dense
Précision	Excellent, ± 0,2%	Excellent, ± 0,1%	Modéré, ± 1%	Modéré, ± 0,5%
Finition de la surface	Très bien, Ra 25 μm	Excellent, Ra 10 μm	Brut tel que déposé	Bon après frittage
Taux de construction	Modéré	Rapide	Très rapide	Modéré
Coût de l'équipement	Haut	Haut	Modéré	Faible
Applications	Aérospatiale, médecine	Aérospatiale, automobile	Réparations, revêtements, grandes pièces	Production en série

• Le laser PBF offre des taux de construction plus rapides et une résolution plus fine que l'EBM.
• L'EBM offre d'excellentes propriétés matérielles avec moins de contraintes internes.
• La projection de liant est moins coûteuse mais nécessite un frittage pour obtenir une densité maximale.
• Le DED est rapide mais convient aux applications industrielles à grande échelle.
• Les utilisateurs sélectionnent le processus en fonction des matériaux, de la qualité, de la rapidité et des besoins budgétaires.

Défis et limites de l'EBM

Parmi les défis que pose l'EBM, on peut citer

• Coûts élevés des machines et des matériaux
• Nombre limité de fournisseurs d'équipements et de services d'assistance
• Choix de matériaux restreint par rapport à d'autres systèmes d'AM
• Vitesses de construction inférieures à celles du laser PBF
• Manipulation et recyclage des poudres métalliques réactives
• Post-traitement pour réduire les tensions internes
• Exigence d'un environnement sous vide pendant les constructions

Les développements en cours visent à augmenter les taux de construction, à réduire les coûts des équipements, à étendre les capacités des matériaux et à rendre le processus plus évolutif pour la fabrication en grande série.

Perspectives d'avenir pour Technologie EBM

Tendances futures de l'EBM :

• Des vitesses de construction plus rapides grâce aux nouveaux systèmes à faisceaux multiples
• Plates-formes de construction plus grandes de plus de 500 mm x 500 mm
• Gamme de matériaux élargie comprenant davantage d'alliages d'aluminium et de cuivre
• Manipulation améliorée des poudres et recyclage en circuit fermé
• Amélioration des logiciels pour la conception et l'optimisation des processus
• Réduction des coûts d'équipement et adoption plus large pour la fabrication des produits finis
• Applications dans les secteurs des composants de satellites, du transport électrique, de l'outillage et de la biomédecine

Les progrès des systèmes EBM permettront d'élargir leur adoption dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la médecine, de l'électronique et de l'énergie.

Principaux enseignements sur la technologie EBM

• L'EBM utilise un faisceau d'électrons pour fondre et fusionner sélectivement des particules de poudre métallique, couche par couche.
• Produit des pièces de forme presque nette avec une pureté, une densité, une résistance et une précision élevées.
• Les alliages de titane, les superalliages de nickel, les aciers à outils et les alliages d'aluminium sont des matériaux courants.
• Les secteurs de l'aérospatiale et de la médecine sont aujourd'hui les principaux adeptes de l'EBM.
• Avantages par rapport au moulage, à l'usinage et à d'autres méthodes d'AM pour les géométries complexes.
• Les systèmes multifaisceaux améliorent considérablement les vitesses de fabrication et la production à grande échelle.
• Les développements en cours visent à étendre les capacités des matériaux et à réduire les coûts.

FAQ sur la technologie EBM

Q : Quels matériaux peuvent être traités avec l'EBM ?

R : Les matériaux EBM courants comprennent les alliages de titane, les superalliages de nickel, les aciers à outils, les aciers inoxydables, le chrome cobalt, les alliages d'aluminium et les alliages de cuivre.

Q : Quels sont les exemples de pièces fabriquées par EBM ?

R : L'EBM est utilisé pour fabriquer des composants aérospatiaux critiques tels que des pales de turbine, des cadres structurels, des pièces de moteur. Elle est également utilisée pour les implants médicaux, les prototypes automobiles, l'outillage industriel, etc.

Q : Quelle est la précision de l'EBM ?

R : L'EBM offre une excellente précision dimensionnelle avec un écart de ±0,2% par rapport aux dimensions de conception grâce à la précision du processus de fusion par faisceau d'électrons.

Q : L'EBM est-elle plus rapide que les méthodes d'impression 3D de métaux telles que la DMLS ?

R : En général, les procédés de fusion laser sur lit de poudre offrent des vitesses de fabrication plus rapides que l'EBM. Mais les nouveaux systèmes EBM à faisceaux multiples visent à égaler ou à dépasser les vitesses des procédés de fusion laser sur lit de poudre.

Q : Quel post-traitement est nécessaire pour les pièces EBM ?

R : Le post-traitement typique comprend l'enlèvement des supports, le traitement thermique de détente, le pressage isostatique à chaud et l'usinage ou le meulage si les exigences en matière de finition de surface sont critiques.

Q : Quel est l'avantage de l'EBM à faisceaux multiples ?

R : Les systèmes multifaisceaux utilisent plusieurs faisceaux d'électrons parallèles pour faire fondre les couches. Cela permet d'obtenir des vitesses de fabrication beaucoup plus rapides tout en conservant les propriétés des matériaux EBM.

Q : L'EBM produit-elle des pièces poreuses ou entièrement solides ?

R : EBM produit plus de 99% de pièces denses, entièrement solides, avec une excellente intégrité des matériaux et des propriétés adaptées à une utilisation finale fonctionnelle dans des applications exigeantes.

Q : Comment la poudre EBM est-elle recyclée ?

R : La poudre inutilisée peut être récupérée, tamisée pour éliminer les grosses particules, mélangée à de la poudre fraîche et réintroduite dans la machine pour être réutilisée.

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

R : L'EBM présente des avantages en termes de développement durable grâce à ses taux élevés de réutilisation des poudres, ses faibles déchets et ses conceptions légères optimisées qui réduisent l'utilisation des matériaux tout au long du cycle de vie de la pièce.

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