Proces produkcji eBM

Topienie wiązką elektronów (EBM) to proces produkcji addytywnej, który wykorzystuje wiązkę elektronów do selektywnego topienia proszku metalowego warstwa po warstwie w celu zbudowania w pełni gęstych części. Proces produkcji ebm oferuje możliwości wykraczające poza konwencjonalne metody produkcji do wytwarzania złożonych, wysokowydajnych części metalowych.

Przegląd procesu produkcji ebm

EBM działa podobnie do innych technik syntezy w złożu proszkowym. Proces odbywa się w komorze o wysokiej próżni, gdzie wiązka elektronów selektywnie skanuje i topi proszek rozłożony w cienkich warstwach na płycie roboczej. Po stopieniu każdej warstwy, płyta robocza obniża się i więcej proszku jest zgarniane na powierzchnię, a następnie wiązka elektronów topi i stapia kolejną warstwę.

Kluczowe szczegóły:

• Tworzenie części warstwa po warstwie z proszku metalu
• Wiązka elektronów selektywnie topi proszek
• Proces odbywa się w próżni
• Wysoka moc wiązki dla szybkiego topienia
• Użyte struktury pomocnicze, usunięte po zakończeniu procesu
• Powtarza do momentu utworzenia kompletnej części

Korzyści:

• Swoboda projektowania dla złożonych geometrii
• Funkcjonalne części metalowe bezpośrednio z CAD
• Doskonałe właściwości mechaniczne
• Części o wysokiej gęstości, do 99,9%
• Redukcja odpadów w porównaniu do obróbki skrawaniem

EBM zapewnia większą swobodę produkcji złożonych geometrii z mniejszymi ograniczeniami dotyczącymi kątów, zwisów i podcięć w porównaniu do tradycyjnej produkcji. Części produkowane za pomocą EBM oferują właściwości mechaniczne porównywalne lub lepsze od właściwości kutych.

Materiały wykorzystywane w EBM

EBM jest w stanie przetwarzać różne stopy na w pełni zwarte części, przy czym większość zastosowań koncentruje się na tytanie, aluminium, chromie kobaltowym, stopach niklu, stalach nierdzewnych i stalach narzędziowych.

Materiały:

• Tytan Ti64, Ti64ELI, komercyjnie czysty tytan
• Aluminium AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy
• Chrom kobaltowy CoCrMo, CoCrW
• Stopy niklu IN718, IN625, IN939
• Stale nierdzewne 316L, 17-4PH, 304L, 420
• Stale narzędziowe H13, D2, M2
• Inne: CuSn10, CuCr1Zr

Stopy tytanu są intensywnie wykorzystywane w komponentach lotniczych, podobnie jak superstopy niklu. Chrom kobaltowy jest popularny w implantach medycznych. Formy ze stali narzędziowej i komponenty aluminiowe znajdują zastosowanie w automatyce i motoryzacji. Można stosować różne proszki metali o wielkości do 15 mikronów.

Możliwości procesu EBM

EBM może bezpośrednio wytwarzać części końcowe i produkty gotowe do użytku z niewielkim lub żadnym przetwarzaniem końcowym. Niektóre kluczowe możliwości obejmują:

Złożoność geometryczna

• Złożone siatki i struktury siatkowe
• Głębokie kanały, podkopy, tunele
• Cienkie ścianki (< 1 mm) i drobne detale
• Lekka optymalizacja topologii

Właściwości mechaniczne

• Wytrzymałość i twardość dorównują lub przewyższają wartości metali kutych
• Odporność na zmęczenie i pękanie na równi z kutymi
• Gęste składniki o porowatości poniżej 0,8%

Dokładność i rozdzielczość

• Dokładność do 0,2 mm lub 2% wymiaru części
• Najdrobniejszy element o rozmiarze około 0,3 mm
• Najcieńsze ścianki 0,25-0,5 mm
• Minimalne rozmiary funkcji wciąż się poprawiają

Wykończenie powierzchni

• Surowe wykończenie powierzchni EBM o chropowatości około 5-9 μm
• Profilowanie wykończeniowe może osiągnąć chropowatość 1,5 μm
• Dodatkowe procesy stosowane do dokładniejszego polerowania

Tworzenie woluminów

• Systemy komercyjne obejmują konstrukcje o średnicy od 150 mm do 1000 x 600 x 500 mm
• Większe systemy celne również w fazie rozwoju
• Ciągłe ulepszanie maksymalnych rozmiarów części

Etapy procesu wytwarzania przyrostowego EBM

Proces produkcji EBM składa się z szeregu etapów konfiguracji, przygotowania, budowy i kompletowania części metalowych addytywnie warstwa po warstwie przy użyciu wiązki elektronów do topienia i stapiania materiału.

Etapy procesu EBM:

1. Modelowanie 3D części i optymalizacja projektu pod kątem AM
2. Konwersja pliku do formatu standardowego dla EBM System
3. Wybierz materiał, ustaw parametry kompilacji
4. Przygotowanie proszku metalowego zgodnie ze specyfikacją
5. Załaduj proszek do maszyny, wypoziomuj obszar roboczy
6. Rozprowadzić warstwę proszku, podgrzać wiązką
7. Obszary stopu dla każdej warstwy, bezpiecznik metalowy
8. Niższa platforma, dodaj następną warstwę
9. Powtórz nakładanie warstw/topienie, aby ukończyć część
10. Wyjmij z komory, oddziel część od płyty bazowej
11. Usunięcie konstrukcji wsporczych z części
12. Obróbka końcowa poprzez obróbkę skrawaniem, polerowanie, prasowanie izostatyczne na gorąco w razie potrzeby

Krytyczne parametry procesu zoptymalizowane dla każdego materiału obejmują moc wiązki, prędkość wiązki, odstępy między kreskami, strategię skanowania, czas warstwy, grubość warstwy, temperatury podgrzewania wstępnego i obróbkę cieplną po zakończeniu procesu. Dostrojenie tych ustawień umożliwia regulację gęstości części, naprężeń szczątkowych, wykończenia powierzchni, mikrostruktury i właściwości mechanicznych.

Zalety wytwarzania przyrostowego wiązką elektronów

EBM zapewnia kilka istotnych zalet w porównaniu z tradycyjną produkcją subtraktywną lub innymi metodami addytywnymi pod względem kosztów, wydajności, złożoności, właściwości i zrównoważonego rozwoju.

Zalety EBM:

• Swoboda projektowania lekkich, złożonych geometrii
• Usprawniony przepływ pracy od CAD do gotowej części funkcjonalnej
• Eliminuje oprzyrządowanie, mocowanie złożonych elementów
• Wysoka gęstość metalu do 99,9%
• Doskonała wytrzymałość i twardość
• Niższy koszt w przeliczeniu na część dla małych/średnich wolumenów
• Mniejsza ilość odpadów metalowych w porównaniu z procesami subtraktywnymi
• Minimalizuje przetwarzanie końcowe i czas realizacji
• Kontrola parametrów mikrostruktury i właściwości
• Wysoka moc wiązki umożliwia szybsze budowanie

Proces EBM ułatwia innowacyjne podejście do projektowania i konsolidację złożonych części w celu poprawy wydajności. Pozwala on na szybką produkcję metalowych komponentów o wysokiej gęstości bez nadmiernych kosztów związanych ze specjalistycznym oprzyrządowaniem lub rozległymi operacjami wykończeniowymi.

Ograniczenia wytwarzania przyrostowego wiązką elektronów

Oprócz zalet, EBM ma również pewne nieodłączne ograniczenia, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu przydatności do zastosowań produkcyjnych.

Ograniczenia EBM:

• Wyższy koszt sprzętu niż w przypadku systemów polimerowych
• Ograniczone zatwierdzone obecnie stopy lotnicze/medyczne
• Optyka odchylająca wiązkę ogranicza maksymalny rozmiar kompilacji
• Niższe prędkości skanowania niż w przypadku laserowej syntezy proszków
• Niższa rozdzielczość niż w przypadku systemów laserowych
• Wpływ przewodności proszku i wysokości wiązki na topienie wiązki
• Obróbka końcowa w celu poprawy wykończenia powierzchni
• Możliwe niewielkie puste przestrzenie wewnętrzne lub brak wad wtopienia
• Monitorowanie procesów i obszary kontroli jakości do rozwoju

Wyższe wydatki na sprzęt związane z systemami wiązki elektronów skutkują wyższymi kosztami części, co sprawia, że EBM jest bardziej odpowiedni do produkcji na mniejszą skalę, gdzie oszczędności na oprzyrządowaniu rekompensują początkowe nakłady kapitałowe.

Kontrola jakości i przetwarzanie końcowe w EBM

Podobnie jak w przypadku wszystkich procesów produkcji dodatków metalowych w złożu proszkowym, komponenty EBM mogą napotkać potencjalne problemy jakościowe dotyczące porowatości, właściwości anizotropowych, wykończenia powierzchni, naprężeń szczątkowych, efektów proszkowych i wymiarów geometrycznych, które wymagają złagodzenia poprzez optymalizację parametrów, obróbkę końcową, prasowanie izostatyczne na gorąco i procedury kontroli jakości.

Kontrola jakości:

• Stałe właściwości proszku metalu wsadowego
• Optymalizacja parametrów specyficznych dla stopu i geometrii
• Monitorowanie emisji termicznych in situ
• Skany tomografii komputerowej po zakończeniu budowy w celu weryfikacji gęstości
• Testowanie właściwości mechanicznych zgodnie z normami ASTM

Przetwarzanie końcowe:

• Odciążenie termiczne i prasowanie izostatyczne na gorąco
• Śrutowanie w celu poprawy wykończenia powierzchni
• Frezowanie, toczenie, szlifowanie, polerowanie
• Powłoki lub obróbka w celu uzyskania właściwości funkcjonalnych

Bieżące wysiłki nadal rozwijają monitorowanie procesu w czasie rzeczywistym, kontrolę jakości proszku wsadowego, symulacje modelowania i optymalizację parametrów sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej w celu poprawy jakości i niezawodności.

Zastosowania wytwarzania przyrostowego wiązką elektronów

Swobody projektowe odblokowane przez EBM przekładają się na wysokowydajne komponenty końcowe w progresywnych branżach, przesuwając granice w przemyśle lotniczym, obronnym, technologii medycznej, motoryzacyjnym i energetycznym.

Zastosowania przemysłowe:

Lotnictwo i kosmonautyka - Łopatki turbin, wirniki, komory ciągu, kratownice Motoryzacja - Lekkie podwozie i komponenty układu napędowego Medyczny - Implanty ortopedyczne, urządzenia protetyczne
Energia - Wymienniki ciepła, zbiorniki ciśnieniowe, wiercenie Obrona - UAV, części ochronne pojazdów wojskowych Oprzyrządowanie - Konforemne formy chłodzące, matryce, wzory

EBM ułatwia konsolidację złożonych zespołów w pojedyncze części o ulepszonych właściwościach i służy do produkcji małych i średnich partii. Proces ten postępuje od szybkiego prototypowania do certyfikowanej produkcji seryjnej w miarę dojrzewania szerszych stopów i środków kontroli jakości.

Dostawcy sprzętu EBM

Kilku uznanych dostawców przemysłowych oferuje komercyjne systemy produkcji addytywnej EBM wraz ze zintegrowanymi rozwiązaniami do obsługi proszków. Opracowywane są również niestandardowe maszyny wielkoformatowe.

Dostawcy sprzętu EBM:

Systemy na małą skalę / badawcze

• Arcam A2X
• Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania EBAM 150
• Linz Center of Mechatronics GmbH Micro-EBAM

Większe wolumeny produkcji nadal rosną, a niestandardowe rozwiązania o długości powyżej jednego metra są przedmiotem prac badawczo-rozwojowych. Szerokości wiązek również wykraczają poza pojedynczą wiązkę elektryczną w kierunku wielu skoordynowanych wiązek zapewniających większe prędkości.

Analiza kosztów wytwarzania przyrostowego wiązką elektronów

Przyjęcie EBM jako końcowego procesu wytwarzania przyrostowego metali wymaga rozważenia wydatków na zakup sprzętu, materiałów eksploatacyjnych i kosztów operacyjnych w porównaniu z oszczędnościami kosztów jednostkowych części wynikającymi z konsolidacji zespołów, minimalizacji obróbki i odpowiedniej wielkości zapasów.

Czynniki kosztowe - EBM a tradycyjna produkcja

Ogólnie rzecz biorąc, EBM zapewnia korzyści w przypadku złożonych części metalowych o mniejszej objętości, od jednej do kilkuset sztuk, gdzie zapasy, czas obróbki i konsolidacja montażu równoważą o rząd wielkości wyższe koszty maszyn i proszków w porównaniu z tradycyjną produkcją na dużą skalę z drogim oprzyrządowaniem i ekstremalnymi rozmiarami partii. Ilość części, szybkość, złożoność, cele wydajnościowe i oczekiwania jakościowe mają duży wpływ na wybór optymalnej metody produkcji.

Kwestie bezpieczeństwa związane z wytwarzaniem przyrostowym wiązką elektronów

Podobnie jak w przypadku wszystkich przemysłowych urządzeń produkcyjnych, druk 3D z wykorzystaniem wiązki elektronów wiąże się z zagrożeniami dla zdrowia i bezpieczeństwa w zakresie wysokiego napięcia elektrycznego, gazów obojętnych, reaktywnych proszków metali oraz obchodzenia się z materiałami toksycznymi wymagającymi kontroli ograniczających zagrożenia.

Rozważania dotyczące bezpieczeństwa EBM:

• Obudowa elektroniki wysokiego napięcia
• Osłona przed promieniowaniem rentgenowskim
• Gazy kriogeniczne pod ciśnieniem
• Pyły reaktywnych proszków metali
• Narażenie na nanocząsteczki
• Ergonomia ręcznego przesiewania proszku
• Blokady mechaniczne i laserowe
• Środki ostrożności dotyczące palności materiałów
• Wymagania dotyczące środków ochrony indywidualnej pracowników
• Blokady sprzętu i wyłączniki elektroniczne
• Rutynowa konserwacja zapewniająca bezawaryjność
• Monitorowanie czasu pracy i wydajności wiązki

Dokładne szkolenie operatorów w połączeniu z kontrolami technicznymi, protokołami bezpieczeństwa, wyposażeniem ochronnym, regulowaną konserwacją oraz dyrektywami Assembly Bill i Conformité Européenne egzekwowanymi w odniesieniu do urządzeń ze złożem proszkowym zapewnia wiele warstw ochrony zdrowia i środowiska.

Perspektywy na przyszłość dla wytwarzania przyrostowego wiązką elektronów

W miarę dojrzewania technologii i jakości EBM, oczekuje się szerszego zastosowania w sektorach lotniczym, medycznym, przemysłowym, narzędziowym i motoryzacyjnym, preferując aplikacje o umiarkowanej wielkości produkcji poniżej kilku tysięcy sztuk, gdzie wydajność uzasadnia wyższe koszty.

Przyszłe trendy w EBM:

• Rozszerzenie portfolio stopów przetwarzalnych
• Sprzęt dla większych wolumenów kompilacji
• Systemy wielowiązkowe zapewniające większą prędkość
• Zwiększony zasięg i dokładność odchylania wiązki
• Ulepszone ogniskowanie wiązki i precyzja
• Monitorowanie in situ i sterowanie w pętli zamkniętej
• Standaryzacja parametrów procesu
• Kompleksowe rozwiązania do zarządzania proszkiem
• Integracja produkcji hybrydowej
• Wskaźniki jakości dla certyfikacji
• Szybkie aplikacje produkcyjne

Zastosowanie wielu skoordynowanych wiązek elektronów może zwielokrotnić prędkość skanowania. Systemy hybrydowe łączące EBM z frezowaniem lub innymi operacjami wtórnymi w ramach jednej platformy umożliwiają usprawnioną obróbkę końcową. Wraz z postępem w zakresie sprzętu, materiałów, protokołów jakości i zatwierdzania części, zastosowanie EBM pozwala na szybszą produkcję w coraz większej liczbie certyfikowanych zastosowań.

FAQ

P: Jakie materiały może przetwarzać EBM?

O: EBM powszechnie przetwarza tytan, aluminium, nikiel, chrom kobaltowy, stal nierdzewną, stal narzędziową i stopy miedzi. Opcje materiałowe wciąż się rozszerzają.

P: Czy EBM produkuje porowate lub w pełni gęste części?

EBM produkuje ponad 99% gęstych elementów metalowych przy użyciu częściowo wstępnie spiekanych proszków. Gęstość przewyższa odlewane i kute metale.

P: Jak dokładny jest EBM w porównaniu do innych procesów AM?

O: Dokładność wymiarowa osiąga ±0,2 mm z tolerancjami konkurencyjnymi w stosunku do innych technologii łoża proszkowego, precyzja poprawia się wraz z doświadczeniem.

P: Jakie branże korzystają z produkcji EBM?

O: Przemysł lotniczy, medyczny, motoryzacyjny, przemysłowy, narzędziowy, obronny, robotyka, energetyka wykorzystują EBM do produkcji komponentów końcowych.

P: Jaki jest koszt pojedynczej części w przypadku produkcji addytywnej EBM?

O: Koszty części wahają się od $100 do $10,000+ w zależności od rozmiaru, złożoności geometrii, szybkości kompilacji, ilości materiału, potrzeb związanych z obróbką końcową itp.

P: Jacy dostawcy usług oferują produkcję addytywną EBM?

A: RapidDirect, 3D Systems, Carpenter Additive, Alloyed, Sigma Labs, Velo3D, Barnes Aerospace, Burloak Technologies, Morf3D.

poznaj więcej procesów druku 3D