elektronenstraal smelten 3D-printen

Overzicht

Elektronenstraalsmelten 3D-printen is een additieve productietechnologie die een elektronenstraal als energiebron gebruikt om metaalpoederdeeltjes selectief laag voor laag te smelten en samen te smelten om complexe 3D-onderdelen te vervaardigen.

Vergeleken met andere 3D-printmethoden voor metaal biedt EBM duidelijke voordelen, zoals uitstekende mechanische eigenschappen, hoge bouwsnelheden, voordelen voor vacuümverwerking en geschiktheid voor reactieve materialen. De hoge apparatuurkosten en de beperkte materiaalopties hebben het gebruik van EBM echter beperkt tot veeleisende toepassingen in de lucht- en ruimtevaart-, medische en automobielsector.

Deze uitgebreide gids behandelt EBM-technologie, processen, materialen, toepassingen, systeemfabrikanten, kosten, voordelen/beperkingen en andere veelgestelde vragen om fabrikanten te helpen beoordelen of EBM de juiste metalen AM-oplossing is voor hun behoeften.

Hoe Elektronenbundel smelten 3D-printen Werken

EBM-printen omvat de volgende belangrijke stappen:

Voorbereiding van 3D-modellen

• CAD-model geoptimaliseerd voor EBM – wanddiktes, steunen, oriëntatie etc.

Bestandsconversie naar .STL

• CAD-geometrie geconverteerd naar driehoekige facetten .STL-bestand

Machine-instellingen

• Invoer van bouwparameters – snelheid, kracht, focus-offset etc.
• Materiaal geladen, parameters aangepast op basis van poedereigenschappen

Poederharken

• Poeder gelijkmatig over het bouwplatform geharkt in gecontroleerde lagen

Elektronenbundel smelten

• Gefocusseerde elektronenbundels smelten selectief poeder om elke laag op te bouwen
• Vacuümomgeving voorkomt oxidatie

Verlagen van platform

• Nadat een laag is gesmolten, wordt het platform naar laagdikte geïndexeerd
• Verse laag poeder verspreid over de vorige laag

Verwijdering van de machine

• Overtollig poeder verwijderd van ingebouwde onderdelen
• Steunconstructies losgemaakt
• Indien nodig vindt nabewerking plaats

Het laag-voor-laag bouwproces maakt ingewikkelde, geoptimaliseerde geometrieën met uitstekende eigenschappen mogelijk.

Materialen voor EBM 3D-printen

EBM is compatibel met een reeks metaallegeringen:

Zowel standaard- als aangepaste legeringen die zijn geoptimaliseerd voor EBM kunnen worden bedrukt. Parameterafstemming is vereist voor nieuwe materialen om de gewenste eigenschappen te bereiken.

Leveranciers van EBM-machines

De belangrijkste fabrikanten van EBM-apparatuur zijn onder meer:

Arcam EBM was een pionier op het gebied van commerciële EBM-systemen. Andere aanbieders zijn recentelijk toegetreden, waardoor de mogelijkheden op het gebied van materiaal en afmetingen zijn uitgebreid.

Specificaties

Typische EBM-systeemspecificaties:

Hoger vermogen en fijnere focus zorgen voor scherpere smeltbaden en een betere resolutie van de kenmerken. Grotere build-enveloppen vergemakkelijken batchproductie.

EBM-ontwerpprincipes

Belangrijke ontwerpprincipes van EBM-onderdelen:

• Minimaliseer niet-ondersteunde oppervlakken om vervorming te voorkomen
• Gebruik zelfdragende hoeken boven 45° om steunen te vermijden
• Ontwerp interne kanalen voor verwijdering van ongesmolten poeder
• Houd rekening met ~20%-krimp vergeleken met de uiteindelijke afmetingen van het onderdeel
• Voeg textuur toe om de poederstroom naar ingewikkelde gebieden te verbeteren
• Plaats onderdelen voor gelijkmatige verwarming en efficiënte verpakking
• Ontwerp structuren om opgesloten poeder te minimaliseren
• Houd overhangen boven de 30° om nadruppelen te voorkomen
• Gebruik indien nodig conforme roostersteunen

De EBM-ontwerpvrijheid maakt het consolideren van assemblages tot geoptimaliseerde, lichtgewicht monolithische onderdelen mogelijk.

Toepassingen van EBM

EBM is ideaal voor:

Lucht- en ruimtevaart en automobielsector:

• Turbinebladen, brandstofinjectoren, structurele frames, ingewikkelde behuizingen

Medisch:

• Orthopedische implantaten, protheses, chirurgische instrumenten die biocompatibiliteit vereisen

Industrieel:

• Lichtgewicht robotcomponenten, onderdelen voor vloeistofbehandeling die onderhevig zijn aan corrosie

Verdediging:

• Duurzame, op maat gemaakte componenten zoals koelkanalen en steunen

R&D:

• Nieuwe legeringen, metaalmatrixcomposieten en roosterstructuren

EBM's combinatie van ontwerpvrijheid, technische eigenschappen en productie-economie maakt het tot het voorkeursproces voor kritische toepassingen.

Kostenanalyse

De productiekosten van het EBM-systeem en de onderdelen zijn afhankelijk van:

Aankoop van machines

• ~$800.000 voor middelgrote productiemachines
• Investering van meerdere miljoenen voor grote systemen

Materiaalkosten

• Poeder kan variëren van $100-500/kg
• Sommige legeringen, zoals Ti64, hanteren premiumprijzen

Kosten van de operatie

• Gemiddelde machinekosten ~$50-150/uur
• Arbeid voor voor-/nabewerking

Onderdeelgrootte

• Grotere onderdelen vereisen meer materiaal en bouwtijd
• Kleine onderdelen kunnen voor efficiëntie worden genest

Nabewerking

• Warmtebehandeling, CNC en afwerking verhogen de kosten

Totale kosten per onderdeel

• Kleine onderdelen ~ $20-$50 per kubieke inch
• Grote onderdelen ~$5-$15 per kubieke inch

Een hogere benutting door batchproductie en nesten verlaagt de kosten per onderdeel.

Procesbeheersing en optimalisatie

Kritieke procesparameters om te controleren:

• Stroom – Beïnvloedt de grootte van het smeltbad, de penetratie en de opbouwsnelheid
• Snelheid – Impactresolutie, oppervlakteafwerking, afzettingsvormen
• Focusverschuiving – Controleert straalvorm, penetratie, defecten
• Laagdikte – Bepaalt de resolutie van de Z-as en de bouwtijd
• Hatch-afstand – Pas aan om de vereiste dichtheid te bereiken, voorkom kogelvorming
• Scanstrategie – Unidirectionele eiland- en contourpatronen beïnvloeden restspanningen en vervorming
• voorverwarmen – Verbetert het sinteren van poeder, vermindert scheuren en kromtrekken

Ontwerp van experimenten gecombineerd met smeltpoolstudies en microstructurele karakterisering vormen de basis voor parameterselectie om de gewenste eigenschappen te bereiken.

Nabewerking

Typische EBM-nabewerkingsstappen:

• Verwijdering – Ontpoederen om onderdelen los te maken van de bouwplaat
• Ondersteuning verwijderen – Indien nodig steunconstructies afsnijden
• Stress verlichtend – Warmtebehandeling om scheuren te voorkomen
• Oppervlakteafwerking – Bewerken, slijpen, polijsten om de afwerking te verbeteren
• Heet isostatisch persen – Past warmte en druk toe om resterende poriën te sluiten en de dichtheid te verbeteren
• Inspectie – Bevestiging van afmetingen, materiaalsamenstelling, defecten

Het minimaliseren van ondersteuningen en nabewerking is een belangrijke overweging bij het ontwerpen van EBM-onderdelen.

Kwalificatie en certificering

EBM-onderdelen die bestemd zijn voor gereguleerde industrieën vereisen:

• Testen volgens toepasselijke normen zoals ASTM F2924, ASTM F3001 enz.
• Uitgebreide metrologische inspectie voor kritische afmetingen en oppervlaktekwaliteit
• Analyse van de materiaalsamenstelling door middel van chemische analyse, karakterisering van de microstructuur
• Evaluatie van mechanische eigenschappen, zoals testen op trek, vermoeiing en breuktaaiheid
• Niet-destructieve inspectie met behulp van röntgentomografie, vloeistofpenetrantonderzoek enz.
• Documentatie van volledige traceerbaarheid van poeder, bouwparameters, nabewerking enz.
• Formele onderdeelkwalificatie en certificering door relevante instanties

Het volgen van vastgestelde protocollen en standaarden zorgt ervoor dat onderdelen aan de strenge kwaliteitseisen voldoen.

EBM vergeleken met andere metalen AM

EBM-voordelen

• Uitstekende materiaaleigenschappen door snellere koeling
• Hoge productiviteit en lage kosten per onderdeel
• Minimale ondersteunende structuren nodig
• Onaangetast door restspanningen en vervorming
• Vacuümomgeving voorkomt oxidatie
• Lagere thermische gradiënten versus laserprocessen

Beperkingen

• Alleen geleidende materialen, momenteel beperkte materiaalopties
• Meer geometrische beperkingen dan laser AM
• Een ruwe oppervlakteafwerking vereist vaak nabewerking
• De apparatuurkosten zijn hoger dan bij lasersystemen

EBM succesvol implementeren

Sleutels tot EBM-adoptie:

• Evalueer de vereisten voor onderdeeltoepassingen versus EBM-mogelijkheden
• Beoordeel het verwachte machinegebruik om de ROI te bepalen
• Houd tijdens de planning rekening met de tijd/kosten voor de nabewerking
• Werk samen met ervaren servicebureaus om de leercurve te minimaliseren
• Maak gebruik van EBM-ontwerpexpertise om onderdelen opnieuw te ontwerpen voor optimale produceerbaarheid
• Studeer af van prototyping naar serieproductie om de productiviteit te maximaliseren
• Implementeer robuuste kwaliteitsmanagement- en certificeringsprotocollen

Een holistische implementatieaanpak stelt bedrijven in staat de EBM-voordelen te benutten en productieleiders te worden.

Veelgestelde vragen

Welke materialen worden gebruikt bij EBM?

Titaniumlegeringen, nikkel-superlegeringen, gereedschapsstaal, kobaltchroom en roestvrij staal komen veel voor. Zowel standaard- als aangepaste legeringen die zijn geoptimaliseerd voor EBM kunnen worden bedrukt.

Hoe verhouden de kosten van EBM zich tot andere metalen AM-processen?

EBM-machines en poedergrondstoffen zijn duurder dan lasergebaseerde AM-systemen. Maar hogere bouwsnelheden en productiviteit kunnen dit compenseren voor productietoepassingen.

Wat zijn enkele belangrijke verschillen tussen EBM en selectief lasersmelten?

Snellere bouwsnelheden, werking bij hogere temperaturen en uitstekende materiaaleigenschappen onderscheiden EBM, terwijl beperkingen in oppervlakteafwerking en geometrische vrijheid de belangrijkste afwegingen zijn.

Welke soorten nabewerking zijn doorgaans vereist voor EBM-onderdelen?

Het verwijderen van ondersteuningen, spanningsverlichtende warmtebehandeling, heet isostatisch persen en oppervlakteafwerking zoals CNC-bewerking zijn gebruikelijk. Het minimaliseren van ondersteuningen tijdens het ontwerp vermindert de nabewerking.

Welke onderdelen kunnen met EBM-technologie worden gebouwd?

Kleine tafelsystemen hebben bouwvolumes van minder dan 100 mm, terwijl grote productiesystemen onderdelen van meer dan een meter groot kunnen bevatten. De maximale grootte wordt groter met nieuwere grootformaatmachines.

Conclusie

De unieke snelle smeltmogelijkheden van EBM maken de productie mogelijk van ingewikkelde metalen componenten met ongeëvenaarde eigenschappen en productiviteit. Hoewel de kosten van apparatuur en materiaalopties de adoptie tot nu toe hebben beperkt, zorgen de voortdurende ontwikkelingen voor nieuwe toepassingen in de lucht- en ruimtevaart-, medische, defensie-, automobiel- en energiesector. De toekomst van EBM ziet er rooskleurig uit omdat de kwaliteit en betrouwbaarheid van onderdelen blijven verbeteren terwijl metaalpoeders beter beschikbaar en betaalbaarder worden. Geïnformeerde fabrikanten die de voordelen van EBM benutten en tegelijkertijd rekening houden met de beperkingen ervan, staan op het punt de gevestigde exploitanten te ontwrichten en nieuwe leiders te worden.

ken meer 3D-printprocessen