EBM-additieve productie

Overzicht van EBM Additive Manufacturing

Elektronenbundelsmelten (EBM) is een soort additieve productie van poederbedfusie waarbij een elektronenstraal wordt gebruikt om metaalpoederdeeltjes selectief laag voor laag te smelten en samen te smelten om complexe 3D-onderdelen op te bouwen.

De belangrijkste kenmerken van het EBM-proces zijn onder meer:

• Bouwt volledig dichte onderdelen uit metaalpoedergrondstof
• Gebruikt een elektronenbundel als energiebron
• Werkt onder vacuüm en hoge temperatuur
• Behaalt uitstekende mechanische eigenschappen
• Ideaal voor reactieve metalen zoals titanium en tantaal
• Maakt complexe geometrieën mogelijk die niet mogelijk zijn met machinale bewerking
• Nabewerking kan nodig zijn om de uiteindelijke afwerking van het onderdeel te bereiken

EBM biedt voordelen op het gebied van ontwerpvrijheid, consolidatie van onderdelen, lager gewicht en prestatieverbeteringen in toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, medische, tandheelkundige, automobiel- en industriële toepassingen.

Hoe EBM-additieve productie Werken

Het additieve productieproces van EBM werkt als volgt:

1. Een 3D CAD-model wordt in dunne dwarsdoorsnedelagen gesneden.
2. Metaalpoeder wordt gelijkmatig verdeeld over een bouwplaat in de vacuümkamer.
3. Een elektronenbundel scant en smelt het poeder selectief op basis van de plakgegevens.
4. De bouwplaat zakt naar beneden en er wordt nog een laag poeder overheen verspreid.
5. Stappen 3-4 herhalen totdat het onderdeel voltooid is.
6. Overtollig poeder wordt verwijderd en het onderdeel wordt met warmte behandeld.
7. Indien nodig kunnen nabewerkingen zoals machinaal bewerken of boren worden uitgevoerd.

De EBM-machine bestuurt de elektronenbundel nauwkeurig met behulp van elektromagnetische lenzen en afbuigspoelen. Het proces vindt plaats onder hoog vacuüm, waardoor zeer hoge smelttemperaturen mogelijk zijn.

Soorten EBM Additive Manufacturing-systemen

Er zijn twee hoofdtypen EBM-machines:

Arcam EBM en GE Additive zijn de belangrijkste fabrikanten van EBM-systemen die zowel kleine als grootschalige machines aanbieden.

Materialen voor EBM Additive Manufacturing

Met behulp van EBM-technologie kunnen verschillende metalen worden verwerkt:

• Titanium legeringen: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
• Nikkel legeringen: Inconel 718, Inconel 625
• Kobalt-chroomlegeringen: CoCrMo
• Staal: Roestvast staal, gereedschapsstaal, maragingstaal
• Vuurvaste metalen: Tantaal, wolfraam
• Edelmetalen: Zilver, goud, platina
• Aluminium legeringen: AlSi10Mg

Titanium is vanwege zijn reactiviteit vooral geschikt voor EBM. Maar het proces kan ook zeer sterke en corrosiebestendige onderdelen van andere geavanceerde legeringen bouwen.

Toepassingen van EBM Additive Manufacturing

Belangrijke toepassingen zijn onder meer:

Lucht- en ruimtevaart: Turbinebladen, motoronderdelen, casco en structurele onderdelen

Medische implantaten: Orthopedische implantaten, fixatiemiddelen, chirurgische instrumenten

Automobiel: Turbocompressorwielen, kleplichamen, onderdelen van het brandstofsysteem

Industrieel: Warmtewisselaars, drukvaten, pomphuizen, mallen en armaturen

Olie en gas: Gereedschappen voor in het boorgat, kleplichamen, spruitstukken

Verdediging: Satelliet- en UAV-componenten, bepantsering

EBM maakt lichtere, sterkere en beter presterende componenten mogelijk met geoptimaliseerde ontwerpen in deze industrieën.

Voordelen van EBM-additieve productie

Voordelen van EBM-technologie zijn onder meer:

• Lage porositeit – Het benaderen van de dichtheid van 100% resulteert in uitstekende mechanische eigenschappen
• Grote sterkte – Titaniumlegeringen komen overeen met de eigenschappen van gesmeed materiaal en overtreffen deze zelfs
• Ontwerpvrijheid – Complexe geometrieën kunnen worden vervaardigd
• Snelle prototypering – Versnelt productontwikkelingscycli
• Gedeeltelijke consolidatie – Reduceert assemblages door meerdere componenten te integreren
• Gewichtsvermindering – Lichtere componenten maken brandstofbesparingen mogelijk in de automobiel- en ruimtevaartsector
• Just-in-time productie – Vermindert lange doorlooptijden van giet- en smeedstukken
• Aangepaste producten – Patiëntspecifieke medische hulpmiddelen en gepersonaliseerde consumptiegoederen
• Duurzame productie – Vermindert verspilling in vergelijking met subtractieve methoden

Deze voordelen stimuleren de acceptatie van EBM in alle sectoren om de prestaties te verbeteren, de kosten te verlagen en nieuwe productinnovaties mogelijk te maken.

Beperkingen van EBM Additive Manufacturing

EBM heeft enkele beperkingen:

• Hoge apparatuurkosten – EBM-machines hebben hoge initiële kapitaalkosten in het bereik van $500.000-$1,5 miljoen
• Beperkingen voor onderdeelgrootte – Bouwenveloppen beperken de maximale onderdeelafmetingen
• Dimensionale nauwkeurigheid – Nabewerking is vaak nodig om nauwe toleranties te bereiken
• Oppervlakteafwerking – Het traptredeneffect leidt tot ruwe oppervlakken die moeten worden afgewerkt
• Bouwsnelheid – Langzamer dan poederbedfusieprocessen met behulp van laser- of elektronenstralen
• Reactieve metalen – Beperkt tot inerte metalen of metalen zoals titanium en tantaal
• Poeder verwijderen – Ongebruikt metaalpoeder moet worden verwijderd en gerecycled
• Thermische spanningen – Kan kromtrekken en barsten van onderdelen veroorzaken

Voortdurende ontwikkelingen in de EBM-technologie zijn gericht op het verbeteren van snelheid, kwaliteit, materiaalflexibiliteit en kosteneffectiviteit.

Ontwerpprincipes voor EBM Additive Manufacturing

Het volgen van ontwerprichtlijnen is cruciaal voor het succesvol gebruik van EBM-technologie:

• Minimaliseer uitsteeklengtes en niet-ondersteunde geometrieën
• Voorzie kleine gaatjes (1-2 mm) voor het verwijderen van overtollig poeder
• Gebruik roosterstructuren om het gewicht te verminderen
• Wanddiktes van meer dan 1 mm aanhouden
• Neem hoeken ≥ 30° op om spanningsconcentraties te voorkomen
• Houd rekening met een lineaire schaalfactor van 0,2%
• Laat een tolerantie van 0,2 mm toe op fijne details
• Ontwerp interne kanalen ≥ 2 mm voor poederafvoer
• Minimaliseer gebieden met ophoping van opgesloten poeder
• Plaats het onderdeel op de plaat om het dwarsdoorsnedeoppervlak te minimaliseren

Simulatietools helpen bij het beoordelen van de ontwerpprestaties vroeg in het ontwerpproces. Ontwerpen kunnen specifiek voor AM-mogelijkheden worden geoptimaliseerd.

Procesparameters voor EBM

Kritische EBM-procesparameters zijn onder meer:

• Straal kracht – Beïnvloedt de opbouwsnelheid, porositeit en microstructuur
• Straalsnelheid – Hogere snelheden verhogen de bouwsnelheid, maar kunnen de dichtheid in gevaar brengen
• Straalfocus – Fusie voor focussering en afbuigingscontrole
• Scanstrategie – Afwisselende rasterrichting tussen lagen vermindert restspanningen
• Laagdikte – Fijnere lagen verbeteren de resolutie, maar verminderen de bouwsnelheid
• Bouw temperatuur – Hogere temperaturen verminderen de restspanningen, maar brengen de nauwkeurigheid in gevaar
• Grootte van het smeltbad – Beïnvloedt de lokale microstructuur en eigenschappen
• Grondstof – Poedergrootteverdeling en morfologie beïnvloeden de dichtheid en oppervlakteafwerking

Door deze parameters te beheersen, kunnen eigenschappen en kwaliteit worden afgestemd op specifieke toepassingen.

Nabewerking voor EBM-onderdelen

Veel voorkomende nabewerkingsstappen voor EBM-onderdelen zijn:

• Poeder verwijderen – Parelstralen om overtollig poeder uit interne holtes te verwijderen
• Stress verlichtend – Heet isostatisch persen kan restspanningen helpen verminderen
• Afsnijden – Draadvonken om onderdelen van de bouwplaat te verwijderen
• Bewerking – CNC-frezen, draaien, boren om maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerkingen te bereiken
• Polijsten – Voor glanzende oppervlakteafwerking op visuele onderdelen zoals sieraden en medische implantaten
• Coatings – Aanbrengen van slijtvaste, wrijvingsarme of esthetische coatings
• Kwaliteit testen – Meet mechanische eigenschappen, interne defecten, microstructuur

Door de nabewerking te minimaliseren, worden de totale onderdeelkosten verlaagd. Maar kritische toepassingen vereisen mogelijk een uitgebreide afwerking om aan de specificaties te voldoen.

Kwaliteitscontrole voor EBM

Strenge kwaliteitscontroleprocedures voor de productie van EBM omvatten:

• Grondstofinspectie – Zeefanalyse, testen van de stroomsnelheid en microscopie van grondstofpoeder
• Monitoring tijdens het proces – Grootte van het smeltbad, temperatuur van het poederbed, vacuümniveau
• Dimensionale controles – CMM en andere metrologische inspecties van kritische afmetingen
• Mechanisch testen – Treksterkte, compressie, microhardheid, breuktaaiheid, vermoeidheid
• Niet-destructieve evaluatie - Röntgencomputertomografie om te controleren op interne defecten
• Metallografie – Microstructurele karakterisering met behulp van optische en elektronenmicroscopie
• Dichtheidsanalyse – Archimedes-methode of heliumpycnometrie om de dichtheid ≥ 99,5% te verifiëren
• Oppervlakteruwheidsmeting – Optische profilometrie om de oppervlaktetextuur te kwantificeren
• Chemische analyse – ICP en massaspectroscopie om de samenstelling te verifiëren
• Validatiebuilds – Testbuilds om procesparameters voor nieuwe onderdelen te verifiëren

Deze uitgebreide tests verifiëren de EBM-productkwaliteit voor strikte industriële toepassingen.

Kostenmodellering voor EBM-additieve productie

Totale kosten zijn afhankelijk van:

• Machinekosten – Hoge investeringen in kapitaalgoederen
• Materiaalkosten – Kosten van poedergrondstoffen/kg
• Bedrijfskosten – Arbeid, energie, onderhoud, inert gas
• Nabewerking – Extra bewerking en afwerking
• Bouw snelheid – Snellere builds verlagen de kosten
• Gebruikspercentage – Een hoger machinegebruik spreidt de kosten over meer onderdelen
• Buy-to-fly-ratio – Ongebruikt poeder moet worden gerecycled, wat extra kosten met zich meebrengt
• Deelgeometrie – Compacte onderdelen maximaliseren het gebruik van het bouwvolume
• Bouw volume – Grotere machines maken een hogere doorvoer mogelijk
• Schaalvoordelen – Productie in grote volumes verlaagt de kosten per onderdeel

De kosten dalen aanzienlijk naarmate de productievolumes toenemen en overtollig poeder kan worden hergebruikt.

Een EBM Additive Manufacturing-leverancier selecteren

Criteria om een EBM-serviceprovider te selecteren:

• Bewezen systeeminstallaties en klantreferenties
• Diverse gecertificeerde ervaring in de lucht- en ruimtevaart, medische en industriële toepassingen
• Bereik van gekwalificeerde materialen zoals titanium, inconel, kobaltchroom
• Certificering van kwaliteitsmanagementsysteem – ISO 9001, AS9100
• Strenge kwaliteitscontroletestprocedures
• Inventaris van standaard- en speciale poeders
• Secundaire interne bewerkings- en afwerkingsmogelijkheden
• Ontwerp ondersteuning en bouw simulatiediensten
• Professionele ingenieurs met expertise op het gebied van de metallurgie
• Grote build-enveloppen voor hoge doorvoer
• Concurrerende prijsstructuur transparant gecommuniceerd
• In staat om ITAR en andere gereguleerde projecten te beheren
• Gelegen in de buurt, waardoor persoonlijke ontmoetingen en samenwerking mogelijk zijn

Gevestigde dienstverleners met een trackrecord in gereguleerde sectoren voldoen doorgaans het beste aan strenge kwaliteitsverwachtingen.

Voor- en nadelen van EBM versus andere AM-methoden

Voordelen van EBM:

• Volledig dichte metalen onderdelen met gesmede eigenschappen
• Goede oppervlakteafwerking op naar boven gerichte oppervlakken
• Hoge opbouwsnelheid in vergelijking met laserprocessen
• Lage restspanningen vergeleken met laserpoederbedfusie
• Uitstekende mechanische eigenschappen van afgewerkte componenten
• Smeltpoolcontrole maakt verfijning van de microstructuur mogelijk
• Inerte bouwomstandigheden, ideaal voor reactieve metalen zoals titanium
• Kosteneffectief voor middelgrote tot hoge productievolumes

Nadelen van EBM:

• Hogere apparatuurkosten dan polymeersystemen
• Beperkte materiaalopties vergeleken met laser-PBF
• Gecontroleerd proces waarvoor getrainde operators nodig zijn
• Vaak is er aanzienlijke nabewerking nodig
• Verbruikt grote hoeveelheden elektrische energie
• Maximale onderdeelgrootte beperkt door bouwomhulsel
• Behandeling en recycling van reactieve metaalpoeders
• Lagere profielnauwkeurigheid dan machinaal bewerkte of gesmede onderdelen

Voor de productie van metalen componenten in middelgrote tot grote volumes blinkt EBM uit in het leveren van hoge sterkte en kwaliteit tegen redelijke kosten. Maar het vereist ervaring om het proces onder de knie te krijgen.

Vergelijking van EBM versus DMLS en SLM

EBM versus DMLS:

EBM versus SLM:

FAQ

Welke materialen kunnen met EBM-technologie worden verwerkt?

De meest voorkomende EBM-materialen zijn titaniumlegeringen, nikkellegeringen zoals Inconel, kobaltchroom en sommige gereedschapsstaalsoorten. Meer recentelijk worden ook vuurvaste metalen en aluminiumlegeringen toegepast.

Welke laagdikte kan worden bereikt met EBM-systemen?

EBM-machines kunnen lagen tot 50 micron dik aanbrengen. Dunnere lagen van 25-35 micron zijn typisch voor kleine, ingewikkelde componenten, terwijl 70-100 micron worden gebruikt voor grotere grove onderdelen.

Welke nabewerkingsmethoden worden gebruikt voor EBM-componenten?

Typische nabewerkingen omvatten poederverwijdering, spanningsverlichting, afsnijden van de plaat, machinale bewerking, oppervlaktebehandelingen zoals slijpen of polijsten, en inspectie en testen.

Welke precisie en oppervlakteafwerking kan worden bereikt met EBM-onderdelen?

Maatnauwkeurigheid rond ±0,2% (±0,5 mm per 25 cm) is haalbaar, maar toleranties kunnen verder worden verbeterd door nabewerking. As-built oppervlakteruwheid varieert van 10-50 μm Ra.

Hoe verhoudt EBM zich tot DMLS voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen?

EBM kan de materiaaleigenschappen van traditioneel gesmede titaniumcomponenten voor structurele toepassingen evenaren. Het biedt hogere bouwsnelheden dan DMLS, maar vereist doorgaans een uitgebreidere nabewerking.

ken meer 3D-printprocessen