EBM Additive Manufacturing

Przegląd wytwarzania przyrostowego EBM

Stapianie wiązką elektronów (EBM) to rodzaj produkcji addytywnej opartej na syntezie złoża proszkowego, która wykorzystuje wiązkę elektronów do selektywnego topienia i stapiania cząstek proszku metalicznego warstwa po warstwie w celu tworzenia złożonych części 3D.

Kluczowe cechy procesu EBM obejmują:

• Tworzy w pełni zwarte części z proszków metali
• Wykorzystuje wiązkę elektronów jako źródło energii
• Działa w próżni i wysokiej temperaturze
• Osiąga doskonałe właściwości mechaniczne
• Idealny do metali reaktywnych, takich jak tytan i tantal.
• Umożliwia wykonywanie złożonych geometrii, które nie są możliwe w przypadku obróbki skrawaniem
• W celu uzyskania ostatecznego wykończenia części może być wymagana obróbka końcowa.

EBM zapewnia korzyści w postaci swobody projektowania, konsolidacji części, zmniejszenia masy i poprawy wydajności w zastosowaniach lotniczych, medycznych, dentystycznych, motoryzacyjnych i przemysłowych.

Jak EBM Additive Manufacturing Prace

Proces wytwarzania przyrostowego EBM działa w następujący sposób:

1. Model 3D CAD jest dzielony na cienkie warstwy przekroju.
2. Metalowy proszek jest równomiernie rozprowadzany na płycie roboczej w komorze próżniowej.
3. Wiązka elektronów selektywnie skanuje i topi proszek w oparciu o dane przekroju.
4. Płyta robocza opada i rozprowadzana jest na niej kolejna warstwa proszku.
5. Kroki 3-4 należy powtarzać aż do ukończenia części.
6. Nadmiar proszku jest usuwany, a część jest poddawana obróbce cieplnej.
7. W razie potrzeby można wykonać obróbkę końcową, taką jak obróbka skrawaniem lub wiercenie.

Maszyna EBM precyzyjnie kontroluje wiązkę elektronów za pomocą soczewek elektromagnetycznych i cewek odchylających. Proces odbywa się w warunkach wysokiej próżni, co umożliwia uzyskanie bardzo wysokich temperatur topnienia.

Rodzaje systemów wytwarzania przyrostowego EBM

Istnieją dwa główne typy maszyn EBM:

Arcam EBM i GE Additive to główni producenci systemów EBM oferujący zarówno małe, jak i duże maszyny.

Materiały do wytwarzania przyrostowego EBM

Za pomocą technologii EBM można przetwarzać szereg metali:

• Stopy tytanu: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
• Stopy niklu: Inconel 718, Inconel 625
• Stopy kobaltowo-chromowe: CoCrMo
• Stale: Stale nierdzewne, stale narzędziowe, stal maraging
• Metale ogniotrwałe: Tantal, wolfram
• Metale szlachetne: Srebro, złoto, platyna
• Stopy aluminium: AlSi10Mg

Tytan jest szczególnie odpowiedni do EBM ze względu na swoją reaktywność. Proces ten pozwala jednak również na tworzenie wytrzymałych i odpornych na korozję części z innych zaawansowanych stopów.

Zastosowania wytwarzania przyrostowego EBM

Główne zastosowania obejmują:

Lotnictwo i kosmonautyka: Łopatki turbin, elementy silnika, płatowiec i części konstrukcyjne

Implanty medyczne: Implanty ortopedyczne, urządzenia mocujące, narzędzia chirurgiczne

Motoryzacja: Koła turbosprężarek, korpusy zaworów, części układu paliwowego

Przemysłowy: Wymienniki ciepła, zbiorniki ciśnieniowe, obudowy pomp, przyrządy i osprzęt

Ropa i gaz: Narzędzia wiertnicze, korpusy zaworów, kolektory

Obrona: Komponenty satelitów i UAV, pancerze

EBM umożliwia tworzenie lżejszych, mocniejszych i wydajniejszych komponentów o zoptymalizowanej konstrukcji w tych branżach.

Korzyści z EBM Additive Manufacturing

Zalety technologii EBM obejmują:

• Niska porowatość - Zbliżenie się do gęstości 100% skutkuje doskonałymi właściwościami mechanicznymi
• Wysoka wytrzymałość - Stopy tytanu dorównują, a nawet przewyższają właściwości materiałów kutych
• Swoboda projektowania - Możliwość wytwarzania złożonych geometrii
• Szybkie prototypowanie - Przyspiesza cykle rozwoju produktu
• Konsolidacja części - Redukcja liczby zespołów poprzez integrację wielu komponentów
• Redukcja wagi - Lżejsze komponenty zapewniają oszczędność paliwa w branży motoryzacyjnej i lotniczej
• Produkcja dokładnie na czas - Skraca długi czas realizacji odlewów i odkuwek
• Produkty niestandardowe - Urządzenia medyczne dostosowane do potrzeb pacjenta i spersonalizowane towary konsumpcyjne
• Zrównoważona produkcja - Zmniejsza ilość odpadów w porównaniu do metod subtraktywnych

Korzyści te napędzają przyjęcie EBM w różnych branżach w celu poprawy wydajności, obniżenia kosztów i umożliwienia wprowadzania nowych innowacji produktowych.

Ograniczenia produkcji addytywnej EBM

EBM ma pewne ograniczenia:

• Wysoki koszt sprzętu - Maszyny EBM mają wysoki początkowy koszt kapitałowy w przedziale $500,000-$1,5 miliona.
• Ograniczenia rozmiaru części - Koperty kompilacji ograniczają maksymalne wymiary części
• Dokładność wymiarowa - Często wymagana jest obróbka końcowa w celu uzyskania wąskich tolerancji
• Wykończenie powierzchni - Efekt stąpania po schodach prowadzi do chropowatych powierzchni wymagających wykończenia
• Wskaźnik budowy - Wolniejsze niż procesy syntezy termojądrowej w złożu proszkowym z wykorzystaniem wiązki lasera lub elektronów
• Metale reaktywne - Ograniczone do metali obojętnych lub metali takich jak tytan i tantal.
• Usuwanie proszku - Niewykorzystany proszek metaliczny należy usunąć i poddać recyklingowi.
• Naprężenia termiczne - Może powodować wypaczanie i pękanie części

Ciągły rozwój technologii EBM ma na celu poprawę szybkości, jakości, elastyczności materiałów i efektywności kosztowej.

Zasady projektowania dla wytwarzania przyrostowego EBM

Przestrzeganie wytycznych projektowych ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego wykorzystania technologii EBM:

• Minimalizacja zwisów i niepodpartych geometrii
• Zawiera małe otwory (1-2 mm) do usuwania nadmiaru proszku
• Wykorzystanie struktur kratowych w celu zmniejszenia wagi
• Utrzymanie grubości ścianki powyżej 1 mm
• Uwzględnienie kątów ≥ 30° w celu uniknięcia koncentracji naprężeń
• Uwzględnienie liniowego współczynnika skalowania 0,2%
• Dopuszczalna tolerancja 0,2 mm dla drobnych detali
• Zaprojektowane kanały wewnętrzne ≥ 2 mm dla prześwitu proszku
• Minimalizacja obszarów, w których gromadzi się proszek
• Umieszczenie części na płycie w celu zminimalizowania przekroju poprzecznego

Narzędzia symulacyjne pomagają ocenić wydajność projektu na wczesnym etapie procesu projektowania. Projekty można zoptymalizować pod kątem możliwości AM.

Parametry procesu dla EBM

Krytyczne parametry procesu EBM obejmują:

• Moc wiązki - Wpływa na szybkość narastania, porowatość, mikrostrukturę
• Prędkość wiązki - Wyższe prędkości zwiększają szybkość budowy, ale mogą negatywnie wpływać na gęstość
• Skupienie wiązki - Fuzja sterowania ogniskowaniem i odchylaniem
• Strategia skanowania - Zmienny kierunek rastra między warstwami zmniejsza naprężenia szczątkowe
• Grubość warstwy - Drobniejsze warstwy poprawiają rozdzielczość, ale zmniejszają szybkość kompilacji
• Temperatura kompilacji - Wyższe temperatury zmniejszają naprężenia szczątkowe, ale pogarszają precyzję
• Rozmiar basenu do topienia - Wpływa na lokalną mikrostrukturę i właściwości
• Surowiec - Rozkład wielkości i morfologia proszku wpływa na gęstość i wykończenie powierzchni

Kontrola tych parametrów pozwala na dostosowanie właściwości i jakości do konkretnych zastosowań.

Obróbka końcowa części EBM

Typowe etapy przetwarzania końcowego części EBM obejmują:

• Usuwanie proszku - Śrutowanie w celu usunięcia nadmiaru proszku z wewnętrznych wnęk
• Łagodzenie stresu - Prasowanie izostatyczne na gorąco może pomóc zredukować naprężenia szczątkowe
• Odcięcie - Elektrodrążenie drutowe do usuwania części z płyty montażowej
• Obróbka skrawaniem - Frezowanie CNC, toczenie, wiercenie w celu uzyskania dokładności wymiarowej i wykończenia powierzchni
• Polerowanie - Do błyszczącego wykończenia powierzchni elementów wizualnych, takich jak biżuteria i implanty medyczne
• Powłoki - Nakładanie powłok odpornych na zużycie, o niskim współczynniku tarcia lub powłok estetycznych
• Testowanie jakości - Pomiar właściwości mechanicznych, defektów wewnętrznych, mikrostruktury

Minimalizacja obróbki końcowej zmniejsza całkowity koszt części. Jednak krytyczne zastosowania mogą wymagać intensywnego wykańczania w celu spełnienia specyfikacji.

Kontrola jakości dla EBM

Rygorystyczne procedury kontroli jakości produkcji EBM obejmują:

• Kontrola surowców - analiza sitowa, testowanie natężenia przepływu i mikroskopia proszku wsadowego
• Monitorowanie w trakcie procesu - wielkość jeziorka stopu, temperatura złoża proszku, poziom próżni
• Kontrole wymiarów - CMM i inne kontrole metrologiczne krytycznych wymiarów
• Testy mechaniczne - rozciąganie, ściskanie, mikrotwardość, odporność na pękanie, zmęczenie materiału
• Ocena nieniszcząca - rentgenowska tomografia komputerowa do sprawdzania wad wewnętrznych
• Metalografia - Charakterystyka mikrostrukturalna przy użyciu mikroskopii optycznej i elektronowej
• Analiza gęstości - metoda Archimedesa lub piknometria helowa w celu weryfikacji gęstości ≥ 99,5%
• Pomiar chropowatości powierzchni - profilometria optyczna do ilościowego określania tekstury powierzchni
• Analiza chemiczna - ICP i spektroskopia masowa w celu weryfikacji składu
• Kompilacje walidacyjne - kompilacje testowe do weryfikacji parametrów procesu dla nowych części.

Te kompleksowe testy weryfikują jakość produktów EBM dla rygorystycznych zastosowań przemysłowych.

Modelowanie kosztów dla EBM Additive Manufacturing

Całkowite koszty zależą od:

• Koszt maszyny - Wysokie inwestycje kapitałowe w sprzęt
• Koszt materiałów - Koszt surowca w proszku/kg
• Koszty operacyjne - Praca, energia, konserwacja, gaz obojętny
• Przetwarzanie końcowe - Dodatkowa obróbka i wykończenie
• Szybkość budowania - Szybsze konstrukcje obniżają koszty
• Wskaźnik wykorzystania - Większe wykorzystanie maszyny rozkłada koszty na więcej części
• Współczynnik kupna do lotu - Niewykorzystany proszek musi zostać poddany recyklingowi, co zwiększa koszty
• Geometria części - Kompaktowe części maksymalizują wykorzystanie objętości kompilacji
• Objętość kompilacji - Większe maszyny zapewniają wyższą przepustowość
• Korzyści skali - Produkcja wielkoseryjna obniża koszty jednostkowe

Koszty znacznie spadają wraz ze wzrostem wielkości produkcji, a nadmiar proszku może być ponownie wykorzystany.

Wybór dostawcy usług produkcji addytywnej EBM

Kryteria wyboru dostawcy usług EBM:

• Sprawdzone instalacje i referencje klientów
• Różnorodne certyfikowane doświadczenie w zastosowaniach lotniczych, medycznych i przemysłowych
• Zakres kwalifikowanych materiałów, takich jak tytan, inconel, chrom kobaltowy
• Certyfikacja systemu zarządzania jakością - ISO 9001, AS9100
• Rygorystyczne procedury testowania kontroli jakości
• Zapasy standardowych i specjalistycznych proszków
• Dodatkowe możliwości obróbki i wykańczania we własnym zakresie
• Wsparcie projektowe i usługi symulacji budowy
• Profesjonalni inżynierowie z doświadczeniem w metalurgii
• Duże koperty robocze zapewniające wysoką przepustowość
• Konkurencyjna struktura cenowa podana w przejrzysty sposób
• Potrafi zarządzać projektami ITAR i innymi regulowanymi projektami
• Lokalizacja w pobliżu umożliwia osobiste spotkania i współpracę

Dostawcy usług o ugruntowanej pozycji i doświadczeniu w branżach podlegających regulacjom prawnym zazwyczaj najlepiej spełniają rygorystyczne oczekiwania jakościowe.

Plusy i minusy EBM w porównaniu z innymi metodami AM

Zalety EBM:

• W pełni zwarte części metalowe rywalizujące z kutymi właściwościami
• Dobre wykończenie powierzchni na powierzchniach skierowanych do góry
• Wysoka szybkość produkcji w porównaniu do procesów laserowych
• Niskie naprężenia szczątkowe w porównaniu z laserową syntezą proszków
• Doskonałe właściwości mechaniczne gotowych komponentów
• Kontrola puli stopu umożliwia udoskonalenie mikrostruktury
• Obojętne warunki pracy idealne dla metali reaktywnych, takich jak tytan
• Efektywność kosztowa dla średnich i dużych wolumenów produkcji

Wady EBM:

• Wyższy koszt sprzętu niż w przypadku systemów polimerowych
• Ograniczone opcje materiałowe w porównaniu do laserowego PBF
• Kontrolowany proces wymagający przeszkolonych operatorów
• Często wymagana jest znaczna obróbka końcowa
• Zużywa duże ilości energii elektrycznej
• Maksymalny rozmiar części ograniczony przez obwiednię kompilacji
• Obsługa i recykling reaktywnych proszków metali
• Niższa dokładność profilu niż w przypadku części obrabianych lub kutych

W przypadku średnio- i wielkoseryjnej produkcji elementów metalowych, EBM wyróżnia się wysoką wytrzymałością i jakością przy rozsądnych kosztach. Jednak opanowanie tego procesu wymaga doświadczenia.

Porównanie EBM z DMLS i SLM

EBM vs DMLS:

EBM vs SLM:

FAQ

Jakie materiały mogą być przetwarzane przy użyciu technologii EBM?

Najpopularniejszymi materiałami EBM są stopy tytanu, stopy niklu, takie jak Inconel, chrom kobaltowy i niektóre stale narzędziowe. Od niedawna stosowane są również metale ogniotrwałe i stopy aluminium.

Jaką grubość warstwy można uzyskać za pomocą systemów EBM?

Maszyny EBM mogą nakładać warstwy o grubości do 50 mikronów. Cieńsze warstwy o grubości 25-35 mikronów są typowe dla małych, skomplikowanych elementów, podczas gdy warstwy o grubości 70-100 mikronów są stosowane dla większych, gruboziarnistych części.

Jakie metody przetwarzania końcowego są stosowane w przypadku komponentów EBM?

Typowa obróbka końcowa obejmuje usuwanie proszku, odprężanie, odcinanie od płyty, obróbkę skrawaniem, obróbkę powierzchniową, taką jak szlifowanie lub polerowanie, oraz kontrolę i testowanie.

Jaką precyzję i wykończenie powierzchni można osiągnąć dzięki częściom EBM?

Osiągalna dokładność wymiarowa wynosi około ±0,2% (±0,5 mm na 25 cm), ale tolerancje można dodatkowo poprawić poprzez obróbkę końcową. Chropowatość powierzchni wynosi od 10 do 50 μm Ra.

Jak wypada EBM w porównaniu do DMLS w zastosowaniach lotniczych?

EBM może dopasować właściwości materiału do tradycyjnie kutych komponentów tytanowych do zastosowań strukturalnych. Zapewnia wyższą wydajność niż DMLS, ale zwykle wymaga bardziej rozległej obróbki końcowej.

poznaj więcej procesów druku 3D