inzicht in EBM-technologie

EBM-technologie is een geavanceerde additieve productietechnologie met unieke mogelijkheden. Deze gids geeft een uitgebreid overzicht van EBM-technologie, inclusief de werking, voordelen, toepassingen, systeemleveranciers en vergelijking met andere 3D-printprocessen.

Inleiding tot het smelten van elektronenbundels (EBM)

Elektronenstraalsmelting is een additieve productietechniek waarbij een elektronenstraal wordt gebruikt om selectief metaalpoederdeeltjes laag voor laag te smelten en samen te smelten. Belangrijkste kenmerken:

• Gebruikt een elektronenbundel als energiebron om metaalpoeder te smelten
• Bouwt onderdelen door selectief poederlagen te smelten
• Typische materialen zijn titanium, nikkellegeringen, gereedschapsstaal, aluminium
• Produceert volledig dichte onderdelen met uitstekende eigenschappen
• Ondersteunt complexe geometrieën die niet mogelijk zijn met gieten/verspanen
• Biedt ontwerpvrijheid, maatwerk, kortere doorlooptijden

EBM levert uitstekende mechanische eigenschappen, materiaalzuiverheid, oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid in onderdelen voor eindgebruik in de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en andere industrieën.

Deze gids geeft een gedetailleerd overzicht van het EBM proces, technologieën, voordelen, toepassingen, systeemleveranciers en een vergelijking met andere AM methoden.

Hoe EBM-technologie Werken

Bij het smelten met elektronenbundels worden onderdelen in de volgende stappen gemaakt:

EBM-processtappen

• 3D-model ontworpen in CAD-software wordt geconverteerd naar .STL-bestand
• Bestand wordt in lagen verdeeld en bouwvolgorde wordt gegenereerd
• Metaalpoeder wordt gelijkmatig over de bouwplaat verspreid
• Elektronenbundel scant selectief en smelt poeder om lagen te smelten
• Bouwplaat zakt en nieuwe laag poeder wordt verspreid
• Het proces wordt herhaald totdat het volledige onderdeel laag voor laag is opgebouwd
• Ongesmolten poeder ondersteunt onderdeel tijdens het bouwen
• Voltooid onderdeel wordt van de machine gehaald voor nabewerking
• Elektronenbundel met hoge energie voor snel en nauwkeurig smelten en lassen
• Proces vindt plaats bij hoge temperatuur onder vacuüm voor zuiverheid
• Ongebruikt poeder wordt teruggewonnen en hergebruikt, waardoor afval tot een minimum wordt beperkt

Soorten EBM-systemen

Er zijn momenteel twee hoofdtypen EBM-systemen beschikbaar:

Soorten EBM-systemen

Type	Beschrijving
Eén bundelsysteem	Enkele elektronenbundel
Systeem met meerdere bundels	Meerdere parallelle stralen

• Systemen met één bundel gebruiken een enkele elektronenbundel met een hoog vermogen, meestal 50-60kW. De opbouwsnelheid is lager vanwege de scanvereisten.
• Systemen met meerdere bundels Meerdere bundels samen gebruiken voor hogere snelheid. Verkort de scantijd aanzienlijk.
• Het vermogen van een enkele bundel varieert van 3-6kW. Het totale vermogen in systemen met meerdere bundels is meer dan 10MW.
• Systemen met meerdere bundels van de nieuwste generatie verbeteren de bouwsnelheden aanzienlijk.
• Straalbesturing, scannen en focussen zijn kritieke subsystemen voor precisiesmelten.

Materialen voor EBM

EBM is compatibel met een reeks metalen en legeringen, waaronder:

EBM Materialen

Materiaal	Belangrijkste eigenschappen	Toepassingen
Titanium legeringen	Hoge sterkte, laag gewicht	Lucht- en ruimtevaart, medisch
Nikkel-superlegeringen	Hittebestendigheid/corrosiebestendigheid	Turbinebladen
Gereedschapsstaal	Hardheid, slijtvastheid	Gereedschap, mallen
Roestvrij staal	Corrosieweerstand	Maritieme hardware
Kobaltchroom	Biocompatibiliteit	Medische implantaten
Aluminium legeringen	Lichtgewicht	Auto's, structuren
Koperlegeringen	Elektrische geleiding	Elektronica

• Titaanlegeringen zoals Ti-6Al-4V worden het meest gebruikt voor kritieke onderdelen in de ruimtevaart.
• Nikkel superlegeringen blinken uit in omgevingen met hoge temperaturen zoals turbinemotoren.
• Gereedschapsstaal biedt de hardheid die nodig is voor duurzame mallen en gereedschappen.
• Biocompatibele legeringen worden gebruikt voor implantaten en medische hulpmiddelen.
• EBM ondersteunt reactieve metalen zoals titanium en aluminium beter dan lasergebaseerde processen.

Voordelen en pluspunten van EBM

De belangrijkste voordelen die EBM aantrekkelijk maken voor productietoepassingen zijn onder andere:

Voordelen van EBM

• Volledig dichte, holle onderdelen
• Uitstekende mechanische eigenschappen
• Hoge geometrische en dimensionale nauwkeurigheid
• Goede oppervlakteafwerking en fijne details
• Weinig vereisten voor nabewerking
• Zeer zuivere onderdelen met minder vervuiling
• Minder materiaalafval dankzij poederterugwinning
• Complexe binnengeometrieën worden ondersteund
• Combineert meerdere onderdelen in één ontwerp

Vs. Traditionele productie

• Maakt lichtere, sterkere ontwerpen mogelijk die niet mogelijk zijn met gieten of machinaal bewerken
• Consolideert assemblages in afzonderlijke geprinte onderdelen
• Maakt vormen mogelijk die niet kunnen worden gegoten of gesmeed
• Verkort de doorlooptijd van maanden naar weken
• Verlaagt de kosten voor productie in kleine batches

EBM-applicaties

De voordelen van EBM maken het geschikt voor:

EBM-applicaties

Industrie	Toepassingen
Lucht- en ruimtevaart	Turbinebladen, structurele frames, raketten
Medisch	Orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten
Automobiel	Lichtgewicht prototypes, aangepaste onderdelen
Gereedschap	Spuitgietmatrijzen, vormmatrijzen, mallen en klemmen
Energie	Warmtewisselaars, kleppen, pompen
Elektronica	Afscherming, contacten, koelsystemen

• De lucht- en ruimtevaart gebruikt EBM op grote schaal voor lichtere, sterkere onderdelen van titanium en nikkellegeringen.
• De medische sector maakt gebruik van de geometrische vrijheid en biocompatibiliteit van EBM voor implantaten.
• Auto-onderzoekers gebruiken het om lichtgewicht geoptimaliseerde topologieontwerpen te maken.
• Er kunnen conforme koelkanalen worden ingebouwd in gereedschap voor spuitgieten.
• De olie- en gasindustrie gebruikt het voor componenten met hoge temperaturen en hoge druk.
• Elektronica profiteert van de fijne details en geleidende legeringen van EBM.

Leveranciers van EBM-systemen

De belangrijkste fabrikanten die EBM-systemen leveren zijn onder andere:

Leveranciers van EBM-machines

Bedrijf	Machine Merken
Arcam EBM	Arcam A2X, Q20plus, Spectra H, Q10plus
GE-additief	Arcam EBM Spectra L, Arcam EBM Spectra H
Freemelt	Freemelt EEN, Freemelt TWEE
Wayland additief	Calder

• Arcam EBM, nu onderdeel van GE Additive, is marktleider in EBM-systemen.
• Andere bedrijven zoals Freemelt en Wayland Additive bieden nieuwere generaties EBM-systemen met meerdere bundels.
• De machinecapaciteiten variëren van bouwvolumes van 150 mm x 150 mm x 150 mm tot grotere versies van 1000 mm.
• De nieuwste EBM-machines bieden geautomatiseerde poederverwerking en recycling in een gesloten kringloop.
• Voor verschillende toepassingen worden aangepaste parameters en trainingsondersteuning geleverd.

Kostenanalyse voor EBM

De productiekosten van EBM zijn afhankelijk van:

Kostenfactoren EBM

• Aankoopprijs machine - $500.000 tot meer dan $2 miljoen
• Kosten materiaalpoeder per kg
• Arbeidskosten voor onderdeelontwerp, bediening, nabewerking
• Productie volume
• Bouwsnelheid en bezettingsgraad
• Energieverbruik
• Onderhoud van apparatuur en overheadkosten

Typisch bereik

• Kleine onderdelen in Ti-6Al-4V: $20 - 150 per onderdeel
• Grotere onderdelen voor de ruimtevaart: $2000 - 15.000+
• Productie van grote volumes met systemen met meerdere bundels zorgt voor de laagste kosten

Vergelijking tussen EBM en andere AM-processen

EBM vs. Andere Metal AM

	EBM	Laser-PBF	DED	Binder jetting
Materialen	Ti, Ni, Al, gereedschapsstaal	Ti, Al, staal, Ni	De meeste metalen	Roestvrij staal
Dikte	Volledig dicht 99%	Volledig dicht 99%	99% dicht	90-95% dicht
Nauwkeurigheid	Uitstekend, ± 0,2%	Uitstekend, ± 0,1%	Matig, ± 1%	Matig, ± 0,5%
Oppervlakteafwerking	Zeer goed, Ra 25 μm	Uitstekend, Ra 10 μm	Ruwe as-depositie	Goed na sinteren
Bouwsnelheid	Gematigd	Snel	Erg snel	Gematigd
Uitrusting Kosten	Hoog	Hoog	Gematigd	Laag
Toepassingen	Lucht- en ruimtevaart, medisch	Lucht- en ruimtevaart, automobiel	Reparatie, coatings, grote onderdelen	Serieproductie

• Laser PBF biedt snellere opbouwsnelheden en een fijnere resolutie dan EBM.
• EBM biedt uitstekende materiaaleigenschappen met minder interne spanningen.
• Binder jetting is goedkoper, maar heeft sintering nodig voor volledige dichtheid.
• DED is snel, maar geschikt voor grootschalige industriële toepassingen.
• Gebruikers selecteren het proces op basis van materiaal, kwaliteit, snelheid en budget.

Uitdagingen en beperkingen van EBM

Enkele uitdagingen met EBM zijn:

• Hoge machine- en materiaalkosten
• Beperkte leveranciers van apparatuur en serviceondersteuning
• Beperkte materiaalkeuze vergeleken met andere AM
• Lagere bouwsnelheden dan laser PBF
• Behandeling en recycling van reactieve metaalpoeders
• Nabewerking om interne spanningen te verlichten
• Vereiste van vacuümomgeving tijdens het bouwen

Lopende ontwikkelingen zijn erop gericht om de bouwsnelheid te verhogen, de kosten van de apparatuur te verlagen, de materiaalmogelijkheden uit te breiden en het proces beter schaalbaar te maken voor productie in grote volumes.

Toekomstperspectief voor EBM-technologie

Toekomstige trends in EBM:

• Snellere bouwsnelheden met nieuwere systemen met meerdere bundels
• Grotere bouwplatforms van meer dan 500 mm x 500 mm
• Uitgebreid materiaalassortiment met meer aluminium- en koperlegeringen
• Verbeterde poederverwerking en recycling in gesloten kringloop
• Softwareverbeteringen voor ontwerp en procesoptimalisatie
• Lagere materiaalkosten en bredere toepassing voor eindgebruikers
• Toepassingen in satellietonderdelen, elektrisch vervoer, gereedschap en de biomedische sector

Vooruitgang in EBM-systemen zal de toepassing in de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie, de medische sector, de elektronica-industrie en de energiesector doen toenemen.

Belangrijkste opmerkingen over EBM-technologie

• EBM gebruikt een elektronenbundel om selectief metaalpoederdeeltjes laag voor laag te smelten en te versmelten.
• Produceert bijna netvormige onderdelen met een hoge materiaalzuiverheid, dichtheid, sterkte en nauwkeurigheid.
• Titaanlegeringen, nikkelsuperlegeringen, gereedschapsstaal en aluminiumlegeringen zijn veelgebruikte materialen.
• De lucht- en ruimtevaart en de medische sector zijn tegenwoordig belangrijke gebruikers van EBM.
• Biedt voordelen ten opzichte van gieten, machinale bewerking en andere AM-methoden voor complexe geometrieën.
• Systemen met meerdere bundels verbeteren drastisch de bouwsnelheden en schaalbaarheid van de productie.
• Lopende ontwikkelingen zijn erop gericht om de materiaalmogelijkheden uit te breiden en de kosten te verlagen.

Veelgestelde vragen over EBM-technologie

V: Welke materialen kunnen worden verwerkt met EBM?

A: Gangbare EBM-materialen zijn titaanlegeringen, nikkelsuperlegeringen, gereedschapsstaal, roestvast staal, kobaltchroom, aluminiumlegeringen en koperlegeringen.

V: Wat zijn enkele voorbeelden van onderdelen die door EBM worden gemaakt?

A: EBM wordt gebruikt om cruciale onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart te maken, zoals turbinebladen, structurele frames en motoronderdelen. Het wordt ook gebruikt voor medische implantaten, prototypes voor de auto-industrie, industriële gereedschappen en nog veel meer.

Vraag: Hoe nauwkeurig is EBM?

A: EBM biedt een uitstekende maatnauwkeurigheid binnen ±0,2% afwijking ten opzichte van de ontwerpafmetingen dankzij het nauwkeurige smeltproces met elektronenbundels.

V: Is EBM sneller dan metalen 3D printmethodes zoals DMLS?

A: Over het algemeen bieden laser poederbedfusieprocessen hogere bouwsnelheden dan EBM op dit moment. Maar nieuwe EBM-systemen met meerdere bundels streven ernaar om de PBF-snelheden van lasers te evenaren of te overtreffen.

V: Welke nabewerking is er nodig voor EBM onderdelen?

A: Typische nabewerking omvat het verwijderen van steunen, een spanningsverlichtende warmtebehandeling, heet isostatisch persen en machinale bewerking of slijpen als de eisen aan de oppervlakteafwerking kritisch zijn.

V: Wat is het voordeel van multi-beam EBM?

A: Systemen met meerdere bundels gebruiken meerdere parallelle elektronenbundels om de lagen te smelten. Dit zorgt voor een veel snellere opbouw met behoud van de EBM-materiaaleigenschappen.

V: Produceert EBM poreuze of volledig vaste onderdelen?

A: EBM produceert meer dan 99% dichte, volledig massieve onderdelen met uitstekende materiaalintegriteit en eigenschappen die geschikt zijn voor functioneel eindgebruik in veeleisende toepassingen.

V: Hoe wordt EBM-poeder gerecycled?

A: Het ongebruikte poeder kan worden opgevangen, gezeefd om grote deeltjes te verwijderen, gemengd met vers poeder en opnieuw in de machine worden geplaatst voor hergebruik.

Vraag: Is EBM milieuvriendelijk?

A: EBM heeft voordelen op het gebied van duurzaamheid door de hoge mate van hergebruik van poeder, de geringe hoeveelheid afval en de lichtgewicht geoptimaliseerde ontwerpen die het materiaalverbruik tijdens de levenscyclus van het onderdeel verminderen.

ken meer 3D-printprocessen