Inleiding tot het ebm-proces

Electron beam melting (EBM) is een additief productieproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een elektronenbundel om metaalpoeder selectief laag voor laag te smelten om volledig dichte delen op te bouwen. Deze gids geeft een diepgaand overzicht van de EBM-proces inclusief hoe het werkt, materialen, toepassingen, voordelen, ontwerpoverwegingen, apparatuur, nabewerking, kwaliteitscontrole, vergelijkingen, kosten en veelgestelde vragen.

Inleiding tot het smelten van elektronenbundels (EBM)

Elektronenbundelsmelten is een soort additieve productie van poederbedfusie waarbij een elektronenbundel selectief delen van een poederbed samensmelt om onderdelen laagsgewijs te construeren.

De belangrijkste voordelen van EBM zijn onder meer:

• Volledig dichte metalen onderdelen
• Uitstekende mechanische eigenschappen
• Goede oppervlakteafwerking en resolutie
• Hoge bouwpercentages en lage kosten per onderdeel
• Minimale ondersteunende structuren nodig
• Herhaalbare en consistente resultaten

EBM maakt directe productie mogelijk van complexe, hoogwaardige metalen componenten voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, de medische sector, de automobielsector en de industrie.

Hoe het EBM-proces werkt

Het EBM-proces omvat de volgende belangrijke stappen:

Elektronenstraal-smeltproces

• CAD-model in lagen gesneden
• Poeder verspreidde zich in een dunne laag
• Elektronenbundel scant en smelt poeder
• Laag versmolten met eerdere lagen
• Laagsgewijs herhaald totdat het deel is opgebouwd
• Niet-gefuseerd poeder ondersteunt onderdeel
• Verwijdering uit de machine en nabewerking

Door de poederlagen selectief te smelten, kunnen complexe geometrieën rechtstreeks uit digitale gegevens worden vervaardigd.

Materialen voor EBM

EBM kan een reeks geleidende materialen verwerken, waaronder:

• Titaniumlegeringen zoals Ti6Al4V
• Kobaltchroomlegeringen
• Op nikkel gebaseerde superlegeringen
• Gereedschapsstaal zoals H13
• Aluminium legeringen
• Zuiver koper
• Edelmetalen zoals goud, zilver

Zowel standaard- als aangepaste legeringen die zijn geoptimaliseerd voor AM kunnen worden bedrukt met EBM-technologie. De aard van het poederbed maakt legeringen mogelijk die niet gemakkelijk met andere methoden kunnen worden verwerkt.

EBM-applicaties

EBM is zeer geschikt voor componenten die profiteren van:

• Complexe geometrieën zijn alleen mogelijk met AM
• Korte productietijden
• Hoge sterkte-gewichtsverhouding
• Goede weerstand tegen vermoeidheid en breuken
• Uitstekende mechanische eigenschappen
• Biocompatibiliteit en corrosieweerstand
• Prestaties bij hoge temperaturen
• Consolidatie van onderdelen – reduceer montagestappen

Industriële toepassingen zijn onder meer:

• Lucht- en ruimtevaart: structurele beugels, turbowielen, motoronderdelen
• Medisch: orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten
• Automotive: lichtgewicht roosterconstructies
• Industrieel: warmtewisselaars, vloeistofbehandelingsonderdelen

EBM ondersteunt innovatieve ontwerpen in alle sectoren dankzij de brede legeringsopties en uitstekende mechanische eigenschappen.

Voordelen van Electron Beam Melting Additive Manufacturing

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

• Volledig dichte metalen onderdelen – Bereik een dichtheid van 99,9%+ die overeenkomt met en de gieteigenschappen overtreft.
• Mechanische eigenschappen – Uitstekende sterkte, levensduur, hardheid en breukweerstand.
• Hoge bouwpercentages – Meer dan 100 cm3/uur mogelijk door meerdere gebieden tegelijk te scannen.
• Lage bedrijfskosten – Elektriciteit is de primaire bedrijfskosten. Verbruiken minder energie dan lasergebaseerde processen.
• Minimale steunen – Onderdelen zelfdragend tijdens de bouw, waardoor er na verwerking weinig ondersteuning nodig is.
• Recycleerbaarheid van poeder – Ongebruikt poeder kan worden hergebruikt, waardoor de materiaalkosten aanzienlijk worden verlaagd.
• Minder afval – Zeer hoge hergebruikpercentages van poeder en productie in bijna-netvorm resulteren in minder afval dan bewerkingsprocessen.
• Gedeeltelijke consolidatie – Combineer assemblages tot afzonderlijke geprinte onderdelen om productie- en assemblagestappen te verminderen.

Voor metaalproductie in de lucht- en ruimtevaart-, medische, automobiel- en industriële toepassingen levert EBM hoogwaardige additieve productieresultaten die niet gemakkelijk geëvenaard kunnen worden door andere methoden.

EBM-ontwerpoverwegingen

Om de voordelen van EBM volledig te benutten, moeten ontwerpen de AM-ontwerpprincipes volgen:

• Gebruik organische, bionische vormen die niet mogelijk zijn door machinale bewerking
• Minimaliseer ondersteuningen door de juiste geometrie te ontwerpen
• Optimaliseer de wanddikte voor een evenwicht tussen snelheid en sterkte
• Houd rekening met de minimale mogelijkheden voor functiegrootte
• Oriënteer onderdelen om de resolutie en mechanische eigenschappen te maximaliseren
• Consolideer subassemblages indien mogelijk in afzonderlijke onderdelen
• Overweeg de effecten van laaggewijze fabricage
• Ontwerp interne kanalen voor verwijdering van ongesmolten poeder

Werk samen met ervaren AM-engineeringspecialisten om hoogwaardige onderdelen te ontwerpen die zijn afgestemd op de EBM-mogelijkheden.

Apparatuur voor het EBM-proces

EBM-systemen bestaan uit:

• Elektronenbundelkolom – Krachtige elektronenbundel
• Poedercassettes – Lever vers poeder
• Poedertrechters – Poeder laagsgewijs aanvoeren
• Tank bouwen – Bevat het bouwplatform en groeiende onderdelen
• Vacuum pomp – Handhaaft een hoog vacuüm tijdens het bouwen
• Controles – Software om builds voor te bereiden en te monitoren

Industriële EBM-systemen maken zowel prototyping als volumeproductie mogelijk. Fabrikanten zijn onder meer Arcam EBM en GE Additive.

Belangrijkste specificaties van de EBM-machine:

• Bouw envelopformaat – diameter tot 500 mm, hoogte tot 380 mm
• Straalvermogen – Tot 3,7 kW
• Straalfocus – Spotgrootte tot 0,1 mm
• Bouwsnelheid – Meer dan 700 cm3/uur mogelijk
• Vacuüm – Hoog vacuüm van 10-4 mbar vereist
• Nauwkeurige laagcontrole – 0,05 mm dikte

Opties zoals meerdere poedertrechters of straalpistolen zorgen voor een hogere doorvoer. De bouwkamer wordt tijdens het printen onder hoog vacuüm gehouden met behulp van geïntegreerde vacuümpompen.

EBM-naverwerking

Na het printen ondergaan onderdelen een nabewerking:

• Poeder verwijderen – Overtollig poeder wordt teruggewonnen en gezeefd voor hergebruik
• Ondersteuning verwijderen – Minimale handmatige verwijdering van ondersteuning nodig
• Hittebehandeling – Stressvermindering en verandering van de microstructuur indien nodig
• Oppervlakteafwerking – Indien nodig bewerken, stralen, slijpen of polijsten

Omdat de ondersteunende structuren minimaal zijn en de hoge dichtheid rechtstreeks vanuit de EBM-machine wordt bereikt, is de nabewerking relatief eenvoudig vergeleken met sommige andere AM-methoden.

Kwaliteitscontrole voor EBM

Consistente resultaten van hoge kwaliteit vereisen procedures zoals:

• Validatie is opgebouwd om parameters in te bellen en eigenschappen te verifiëren
• Monitoring van poedereigenschappen en hergebruik
• Testen van mechanische eigenschappen voor kwalificatie
• CT-scanning of röntgeninspectie van complexe interne geometrieën
• Controles van maatnauwkeurigheid
• Meting van oppervlakteruwheid
• Documentatie van buildparameters en batchtraceerbaarheid
• Periodieke kalibratie en onderhoud van EBM-apparatuur

Werk samen met ervaren leveranciers met strenge kwaliteitssystemen die zijn afgestemd op gereguleerde sectoren waarvoor onderdeelkwalificatie vereist is.

Hoe EBM zich verhoudt tot andere additieve methoden

EBM versus SLM:

• EBM gebruikt elektronen, terwijl SLM een laser gebruikt
• EBM heeft hogere bouwsnelheden, terwijl SLM een fijnere resolutie biedt
• EBM heeft geen inert gas nodig, terwijl SLM normaal gesproken stikstof gebruikt
• Beide produceren bijna volledig dichte metalen onderdelen in een poederbed

EBM versus Binder Jetting:

• EBM smelt poeder, terwijl binderjetting deeltjes aan elkaar lijmt
• EBM creëert onderdelen met een dichtheid >99%, terwijl het spuiten van binder een “groen” onderdeel produceert dat moet worden gesinterd
• EBM-metalen behouden uitstekende eigenschappen, terwijl het spuiten van bindmiddelen lagere prestaties levert

EBM versus DED:

• EBM maakt gebruik van poederbed versus geblazen poeder voor DED
• EBM heeft een hogere nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking, terwijl DED sneller is
• EBM heeft minimale ondersteuning, terwijl DED meer ondersteuning nodig heeft

Voor kleine tot middelgrote volumes metalen onderdelen voor eindgebruik concurreert EBM op het gebied van de kosten gunstig met andere AM-processen op poederbasis.

Kostenverdeling van EBM-onderdelen

Bij het analyseren van de kosten van EBM-onderdelen zijn de belangrijkste factoren onder meer:

• Machinekosten – Operationeel leasetarief per uur. Draait ~$100-$300/uur.
• Werk – Ontwerp van onderdelen, optimalisatie, voor-/nabewerking.
• Poeder – Materiaalkeuze en hergebruikpercentages hebben een grote invloed op de kosten.
• Energie – Elektriciteit om de EBM-machine en bijbehorende apparatuur te laten draaien.
• Kwaliteitscontrole – De toetsingsgraad is afhankelijk van de toepassing.
• Nabewerking – Grotendeels geautomatiseerd betekent lagere verwerkingskosten.
• Volume – Voor de installatie zijn de vaste kosten afgeschreven bij hogere volumes.

Door gebruik te maken van EBM-ontwerpregels en kwaliteitsprocedures die op maat zijn gemaakt voor productietoepassingen, ontstaan zeer kosteneffectieve metalen onderdelen die met andere middelen niet haalbaar zijn.

Innovatietrends in EBM-technologie

Vooruitgang in EBM-technologie en -toepassingen omvatten:

• Grotere enveloppen en snellere scansnelheden maken productie in hogere volumes mogelijk
• Nieuwe generatie multi-beam-systemen voor een hogere doorvoer
• Uitgebreide materiaalopties zoals koper, aluminium en aangepaste legeringen
• Geautomatiseerde poederverwerking en interne metrologieapparatuur
• Hybride EBM- en CNC-bewerkingscentra
• Ontwerpsoftware die EBM-mogelijkheden integreert voor “design for AM”
• Optimalisatie van de supply chain met gedistribueerde productiemodellen

Deze innovaties zullen zorgen voor een grotere acceptatie van EBM in gereguleerde sectoren, waarbij de kwaliteit, consistentie en prestaties van de technologie worden gewaardeerd.

FAQ

Vraag: Welke materialen kun je verwerken met EBM?

A: Titanium, nikkel-superlegeringen, gereedschapsstaal, kobaltchroom, aluminium en edele metalen worden vaak verwerkt. Er kunnen zowel standaard- als aangepaste legeringen worden gebruikt die zijn geoptimaliseerd voor AM.

Vraag: Welke industrieën gebruiken EBM?

A: Luchtvaart-, medische, automobiel- en industriële sectoren maken gebruik van EBM voor hoogwaardige metalen onderdelen voor eindgebruik die niet eenvoudig op conventionele wijze kunnen worden vervaardigd.

Vraag: Wat is de typische oppervlakteafwerking?

A: As-print oppervlakteafwerkingen in het Ra-bereik van 15-25 micron zijn typisch, maar kunnen indien nodig verder worden verbeterd met nabewerking.

Vraag: Hoe nauwkeurig is EBM vergeleken met CNC-bewerking?

A: Maatnauwkeurigheid binnen 0,1-0,3% is standaard voor EBM-technologie, waarbij de machinale nauwkeurigheid voor de meeste functies vergelijkbaar is of zelfs groter is.

Vraag: Welke soorten interne kanalen en geometrieën kunnen worden geproduceerd?

A: Complexe vrijevormkanalen en roosters met diameters tot 1-2 mm kunnen betrouwbaar worden vervaardigd met behulp van EBM-technologie.

Vraag: Kunt u EBM-onderdelen galvaniseren?

A: Ja, EBM-onderdelen kunnen elektrisch geleidend zijn en kunnen indien nodig gemakkelijk worden geplateerd met chroom, goud of zilver.

Vraag: Zijn de mechanische eigenschappen vergelijkbaar met die van gesmeed metaal?

A: Ja, EBM-onderdelen voldoen aan of overtreffen de treksterkte, vermoeidheid en breukweerstand van gesmeed equivalenten.

Vraag: Hoe lang duurt het om een onderdeel te bouwen?

A: De bouwsnelheid is afhankelijk van de geometrie, maar varieert van 5-20 cm3/uur op moderne EBM-machines, waardoor een snelle doorlooptijd mogelijk is.

Vraag: Heeft EBM ondersteuning nodig?

A: Er zijn minimale ondersteuningen nodig vanwege de hoge poederbedtemperatuur. Vermindert de nabewerkingstijd.

Vraag: Is EBM milieuvriendelijk?

A: EBM heeft goede duurzaamheidsreferenties dankzij het hoge hergebruik van poeders en de lage hoeveelheid afval in vergelijking met subtractieve processen. Het energieverbruik per onderdeel neemt af met apparatuur van de nieuwere generatie.

ken meer 3D-printprocessen