Wytwarzanie przyrostowe wiązką elektronów

Wytwarzanie przyrostowe wiązką elektronów (EBAM) to proces drukowania 3D z metalu, który wykorzystuje źródło energii wiązki elektronów do łączenia materiałów. Niniejszy przewodnik analizuje systemy EBAM, procesy, materiały, zastosowania, korzyści i kwestie związane z przyjęciem tej technologii.

Wprowadzenie do wytwarzania przyrostowego wiązką elektronów

Produkcja addytywna wiązką elektronów (EBAM) to rodzaj druku 3D z metalu, który wykorzystuje wiązkę elektronów o dużej mocy jako źródło energii do łączenia metalowych materiałów wsadowych w całkowicie gęste części warstwa po warstwie bezpośrednio z danych CAD.

Kluczowe atrybuty technologii EBAM:

• Wykorzystuje źródło mocy wiązki elektronów do topienia materiałów
• Buduje części poprzez dodawanie proszku metalu warstwa po warstwie
• Tworzy części o kształcie zbliżonym do siatki i wysokiej gęstości
• Typowe materiały to tytan, stopy niklu, stal
• Większe wolumeny produkcji niż w przypadku innych procesów AM
• Wysoka szybkość osadzania dla szybszych kompilacji
• Średnia dokładność części ±0,3 mm
• Niskie naprężenia szczątkowe w porównaniu do procesów laserowych
• Idealny do dużych, złożonych części metalowych
• Zmniejsza ilość odpadów w porównaniu z technikami subtraktywnymi

EBAM umożliwia tworzenie innowacyjnych projektów, które nie są możliwe w przypadku konwencjonalnej produkcji. Jednak, podobnie jak w przypadku każdego procesu przyrostowego, istnieją odrębne kwestie związane z projektowaniem i zastosowaniem.

Jak Wytwarzanie przyrostowe wiązką elektronów Prace

Proces EBAM składa się z:

1. Nakładanie i wyrównywanie cienkiej warstwy proszku metalu
2. Skanująca wiązka elektronów do selektywnego topienia obszarów
3. Opuszczanie płyty roboczej i powtarzanie nakładania warstw/topienia
4. Usuwanie gotowych części z łoża proszkowego
5. Przetwarzanie końcowe według potrzeb

Działo elektronowe generuje skupioną wiązkę w warunkach próżni. Moc wiązki, prędkość, wzór i inne parametry są precyzyjnie kontrolowane w celu stopienia materiału.

Systemy EBAM wymagają komory próżniowej, obsługi proszku, działa elektronowego, elementów sterujących i innych podsystemów.

Producenci sprzętu EBAM

Do wiodących światowych dostawców przemysłowych systemów EBAM należą:

Wybór systemu zależy od potrzeb produkcyjnych, materiałów, wymagań dotyczących dokładności i budżetu. Współpraca z doświadczonym dostawcą usług jest alternatywą dla bezpośredniego zakupu sprzętu.

Charakterystyka procesu EBAM

EBAM obejmuje złożone interakcje termiczne, mechaniczne i materiałowe. Kluczowe cechy procesu obejmują:

Wiązka elektronów - Moc, średnica wiązki, natężenie prądu, prędkość skanowania, ogniskowanie

Proszek - Materiał, kształt, rozkład wielkości, grubość warstwy

Próżnia - Wymagane poziomy ciśnienia, zanieczyszczenia gazowe

Temperatura - Podgrzewanie, dynamika basenu stopu, szybkość chłodzenia

Metadane - Płyta konstrukcyjna, system zgarniający, osłona

Strategia skanowania - Wzory puli stopionego materiału, oscylacje wiązki

Przetwarzanie końcowe - Obróbka cieplna, HIP, obróbka skrawaniem, wykańczanie

Zrozumienie zależności między parametrami ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości części EBAM.

Wytyczne projektowe EBAM

Właściwe praktyki projektowania części EBAM obejmują:

• Projektowanie z uwzględnieniem zasad wytwarzania przyrostowego
• Wykorzystanie cienkich ścian i konstrukcji kratowych w celu redukcji masy
• Minimalizacja niepodpartych nawisów, które wymagają podpór
• Orientacja części w celu uniknięcia naprężeń prowadzących do wypaczeń
• Uwzględnienie efektów skurczu termicznego w funkcjach
• Geometria ułatwiająca usuwanie proszku
• Projektowanie powierzchni pod kątem funkcjonalności, a nie wyglądu
• Minimalna grubość ścianki i rozmiar elementu
• Umożliwiają obróbkę końcową zapasów na powierzchniach
• Symulacja kompilacji i efektów termicznych dla złożonych części
• Projektowanie osprzętu i interfejsów do usuwania warstwy proszku

Narzędzia do symulacji i modelowania pomagają przewidywać naprężenia szczątkowe i odkształcenia.

Materiały EBAM

Szereg metali może być przetwarzanych za pomocą Wytwarzanie przyrostowe wiązką elektronów:

Właściwości materiału zależą w dużej mierze od parametrów procesu EBAM i obróbki końcowej.

Kluczowe aplikacje EBAM

EBAM umożliwia poprawę wydajności w różnych branżach:

Korzyści w porównaniu z konwencjonalną produkcją obejmują

• Zmniejszona ilość odpadów dzięki stosunkowi zakupów do lotów wynoszącemu 1:1
• Krótszy czas realizacji dzięki procesowi cyfrowemu
• Połączone zespoły w pojedyncze części
• Niestandardowe geometrie nieodpowiednie do obróbki skrawaniem
• Lepsza wydajność złożonych struktur
• Skalowalne wielkości produkcji po zakwalifikowaniu

EBAM stwarza możliwości dla projektów produktów nowej generacji, które nie są możliwe do zrealizowania w inny sposób.

Plusy i minusy EBAM

Zalety:

• Duże, złożone części metalowe w jednym kawałku
• Mocne i lekkie komponenty o konstrukcji kratowej
• Eliminuje potrzebę stosowania drogich matryc lub narzędzi
• Zmniejszona ilość odpadów materiałowych w porównaniu do technik subtraktywnych
• Stosunkowo szybkie tempo budowy w porównaniu do innych procesów AM
• Efektywność kosztowa przy średnich wolumenach 100-10 000 sztuk
• Spójna metalurgia dzięki szybkiemu krzepnięciu
• Łączy zespoły w pojedyncze części
• Produkcja na żądanie i konfigurowalne projekty
• Swoboda geometrii wykraczająca poza ograniczenia obróbki

Ograniczenia:

• Wyższy koszt sprzętu niż w przypadku druku 3D z polimerów
• Ograniczone do materiałów kompatybilnych z próżnią
• Niższa dokładność i wykończenie powierzchni niż w przypadku obróbki skrawaniem
• Często wymagane jest przetwarzanie końcowe w celu uzyskania właściwości
• Produkcja proszku złomu wymagającego recyklingu
• Potrzebny rozwój procesu i testy
• Rozważania dotyczące urządzeń o wysokim zapotrzebowaniu na moc
• Naprężenia termiczne mogą powodować odkształcenia części
• Ograniczenia dotyczące zwisów i minimalnych cech
• Ograniczenia rozmiaru wynikające z obwiedni komory kompilacji

EBAM, gdy jest odpowiedni do wymagań aplikacji, umożliwia ulepszenie produktu o wysokiej wartości.

Wdrażanie technologii EBAM

Kluczowe kwestie przy wdrażaniu EBAM obejmują:

• Identyfikacja aplikacji, w których możliwości EBAM zapewniają przewagę
• Budżetowanie znaczących inwestycji kapitałowych w system EBAM
• Opracowanie rygorystycznych protokołów i standardów kwalifikacji
• Zrozumienie wymogów regulacyjnych dla zastosowań końcowych
• Zatrudnienie personelu z doświadczeniem w zakresie łóżek proszkowych lub współpraca z dostawcami usług.
• Zapewnienie czasu i zasobów na testy i optymalizację procesów
• Wdrożenie procedur postępowania z proszkami i wentylacji
• Zapewnienie odpowiedniej infrastruktury i możliwości zasilania
• Budżetowanie przetwarzania wtórnego, takiego jak obróbka cieplna
• Przeprowadzanie testów mechanicznych w celu walidacji właściwości

Aplikacje najlepiej nadające się do wstępnych testów są mniej krytyczne i mniej ryzykowne.

Oszczędności kosztów dzięki EBAM

Uzasadnienie biznesowe dla EBAM zależy od

• Wysoki koszt sprzętu około $1 mln do $3 mln
• Praca na rzecz rozwoju procesów i produkcji
• Koszt surowców w postaci proszku metalicznego
• Wtórne operacje wykończeniowe
• Obiekty, infrastruktura do obsługi proszków
• Zmniejszona ilość odpadów w stosunku do procesów odejmowania
• Konsolidacja podzespołów w pojedyncze części
• Krótsze ramy czasowe rozwoju niż w przypadku technik konwencjonalnych
• Staje się ekonomiczny przy ilościach około 100-10 000 części
• Najwyższe oszczędności w przypadku złożonych geometrii zwiększających wartość dodaną

Producenci muszą zrównoważyć wyższe koszty sprzętu AM korzyściami produkcyjnymi.

EBAM w porównaniu z innymi procesami

Każdy proces oferuje określone korzyści w zależności od zastosowania, wielkości partii, potrzeb w zakresie dokładności i wymagań dotyczących wydajności.

Perspektywy na przyszłość dla EBAM

Przyszłość jest jasna dla szerszego przyjęcia EBAM napędzanego przez:

• Szerszy zakres stopów produkcyjnych
• Większe koperty konstrukcyjne umożliwiające stosowanie większych części
• Szybsze budowanie w celu zwiększenia przepustowości
• Lepsze wykończenie i dokładność wymiarowa
• Malejące koszty w miarę dojrzewania technologii
• Dalsza automatyzacja przetwarzania wstępnego i końcowego
• Systemy hybrydowe integrujące obróbkę
• Zaawansowane systemy monitorowania procesu
• Kwalifikacje dla wymagających branż, takich jak lotnictwo i kosmonautyka
• Optymalizacja projektu z wykorzystaniem możliwości EBAM

Wraz z rozwojem technologii, EBAM przekształci produkcję w coraz szerszym zakresie branż.

FAQ

Jakie materiały są używane w EBAM?

Przetwarzane mogą być tytan, stopy niklu, stale narzędziowe, stale nierdzewne, stopy aluminium i metale szlachetne.

Jaka jest dokładność i wykończenie części EBAM?

Typowa dokładność wymiarowa wynosi ±0,3 mm, a chropowatość powierzchni wynosi około 25-125 μm Ra.

Jakie przetwarzanie końcowe jest stosowane w przypadku części EBAM?

Można stosować obróbkę cieplną, HIP i obróbkę skrawaniem. Powszechne jest również natryskiwanie plazmowe.

Jak duże części może produkować EBAM?

Typowe rozmiary konstrukcji wynoszą od 500 mm x 500 mm x 500 mm do 2 m x 1 m x 1 m w przypadku dużych systemów.

Jakie są korzyści w porównaniu z metodami subtraktywnymi?

EBAM generuje części o kształcie zbliżonym do siatki z mniejszą ilością odpadów i konsoliduje zespoły w pojedyncze złożone komponenty.

Jakie branże korzystają z EBAM?

Sektory lotniczy, energetyczny, motoryzacyjny, naftowy i gazowy oraz medyczny są pierwszymi użytkownikami EBAM.

Jaka wiedza specjalistyczna jest potrzebna do obsługi urządzeń EBAM?

Wymagani są wykwalifikowani technicy z doświadczeniem w procesach ze złożem proszkowym, metalurgii i obróbce końcowej.

Jakie środki ostrożności są wymagane?

Wentylacja, sprzęt monitorujący, wyposażenie ochronne personelu i bezpieczne obchodzenie się z proszkiem mają kluczowe znaczenie.

Jak wypada porównanie kosztów z konwencjonalną produkcją?

EBAM staje się opłacalny przy produkcji średniej wielkości 100-10 000 sztuk dla złożonych projektów.

Czy możesz krótko wyjaśnić proces EBAM?

EBAM osadza proszek metaliczny w warstwach, które wiązka elektronów topi selektywnie warstwa po warstwie w oparciu o dane CAD w celu zbudowania części.

poznaj więcej procesów druku 3D