Produkcja wiązką elektronów

Produkcja wiązką elektronów odnosi się do procesu wytwarzania przyrostowego, który wykorzystuje skupioną wiązkę wysokoenergetycznych elektronów do selektywnego topienia i stapiania cząstek proszku metalicznego warstwa po warstwie w celu bezpośredniego wytwarzania złożonych komponentów 3D.

Proces ten, znany również jako topienie wiązką elektronów (EBM) lub stapianie wiązką elektronów w złożu proszkowym, oferuje możliwości takie jak szybkość budowy, właściwości materiału, wykończenie powierzchni i swoboda geometryczna, nieporównywalne z tradycyjnymi metodami wytwarzania.

Niniejszy przewodnik zawiera przegląd produkcji wiązką elektronów obejmujący możliwości procesu, materiały, zastosowania, dostawców systemów, porównania kompromisów i najczęściej zadawane pytania przy rozważaniu przyjęcia.

Przegląd procesu wytwarzania wiązki elektronów

• Metalowy proszek jest równomiernie rozprowadzany na płycie roboczej
• Wiązka elektronów skanuje określone ścieżki utrwalania proszku
• Płytka indeksuje w dół, nowa warstwa rozłożona na wierzchu
• Termiczne podgrzewanie utrzymuje temperaturę procesu
• Komora utrzymywana w próżni podczas budowy
• Wspiera strukturę tam, gdzie jest to potrzebne
• Końcowe części wycięte i wykończone w razie potrzeby

Wiązki elektronów zapewniają szybszą i głębszą penetrację materiałów przewodzących niż lasery, umożliwiając wyższe tempo produkcji przy mniejszym naprężeniu szczątkowym.

Materiały stosowane w produkcji wiązki elektronów

Przetwarzana jest szeroka gama stopów, z których każdy jest zoptymalizowany pod kątem składu chemicznego i rozkładu wielkości cząstek:

Materiał	Popularne stopy	Przegląd
Stop tytanu	Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI	Mieszanki klasy lotniczej o wysokiej wytrzymałości i niskiej wadze
Stop niklu	Inconel 718, 625, Haynes 282	Nadstopy odporne na wysoką temperaturę i korozję dla turbin
Chrom kobaltowy	CoCrMo	Biokompatybilny, odporny na zużycie stop do implantów
Stal nierdzewna	17-4PH, 316L, 304L	Wysoka wytrzymałość i odporność na korozję
Stal narzędziowa	H13, stal maraging	Ekstremalna twardość/odporność na zużycie
Stop aluminium	Scalmalloy	Niestandardowa szerokość, szybkie tempo krzepnięcia

Zalety takie jak kontrola struktury ziaren i defektów sprzyjają lepszym właściwościom mechanicznym.

Charakterystyka i tolerancje

Oprócz dostosowanych właściwości stopów, kluczowe możliwości procesowe obejmują:

Atrybut	Opis
Wykończenie powierzchni	Chropowatość do 5 μm, wystarczająco gładka do końcowego zastosowania w zależności od geometrii, bez konieczności wykańczania
Rozdzielczość funkcji	Drobne szczegóły do ~100 μm obsługiwane przez parametry procesu
Dokładność	± 0,2% z odchyleniem 50 μm przy wymiarach części 100 mm
Gęstość	Ponad 99,8% teoretycznego maksimum, najwyższa z metod AM metali
Rozmiar kompilacji	Możliwe komponenty o długości ponad 1000 mm, w zależności od modelu systemu
Prototypowanie	Zdolny do produkcji pojedynczych lub małych partii, idealny do modeli inżynieryjnych wymagających metali
Produkcja	Przemysł lotniczy i medyczny zaczyna certyfikować proces produkcji części do zastosowań końcowych

Konsystencja i jakość pozwalają na zastosowania o wysokim zapotrzebowaniu.

Produkcja wiązką elektronów Zastosowania

Przemysł	Zastosowania	Przykłady komponentów
Lotnictwo i kosmonautyka	Elementy konstrukcyjne, części silnika	Łopaty turbin, ramy, mocowania
Medyczny	Implanty ortopedyczne, narzędzia chirurgiczne	Implanty biodrowe, kolanowe, czaszkowe, zaciski
Motoryzacja	Lekkie i wydajne komponenty	Koła turbinowe, kolektory
Przemysłowy	Końcowa produkcja metali	Lekkie ramiona robotów, części do przenoszenia płynów

Dodatkowe zastosowania specjalistyczne wykorzystują synergię projektu, materiału i wydajności.

Producenci systemów i ceny

Producent	Opis	Podstawowy zakres cen
Arcam (GE)	Pionierzy z szeregiem modeli systemów EBM	$1.5M - $2M
Velo3D	Zaawansowane systemy obiecują dokładniejsze szczegóły i wyższe konstrukcje	$$$$
Jeol	Badania i produkcja na małą skalę	$$$

Koszty operacyjne związane z materiałami, argonem, energią elektryczną mogą wahać się od $100-$1000+ dziennie w zależności od kompilacji.

Kompromisy między wiązką elektronów a innymi procesami

Plusy:

• Wyższa wydajność niż w przypadku fuzji laserowej w złożu proszkowym
• Niższe naprężenia szczątkowe niż w przypadku metod laserowych
• Wyjątkowa dokładność i wykończenie powierzchni
• Materiał wejściowy o wysokiej czystości dla właściwości
• Wysoki potencjalny wolumen produkcji w przyszłości

Wady:

• Wciąż dojrzewa w porównaniu z innymi technologiami złoża proszkowego
• Rozmiar nie tak duży jak w przypadku metod laserowych
• Dostępność materiałów wciąż rośnie
• Wyższy koszt posiadania sprzętu
• Ograniczenia wokół geometrii wymagających wsparcia

Dla odpowiednich zastosowań, niezrównany potencjał wydajności.

Najczęściej zadawane pytania

Co określa maksymalny rozmiar części?

Maksymalny obszar skanowania modelu systemu, ograniczenia strategii skanowania, naprężenia termiczne, ograniczenia rozprzestrzeniania się proszku i liczba komponentów określają możliwości rozmiaru do ~ 800 mm testowanych długości.

Jak proces wpływa na właściwości materiału?

Szybkie tempo chłodzenia z kontrolowanych profili termicznych nadaje drobną mikrostrukturę zwiększającą wytrzymałość. Parametry są zrównoważone z naprężeniami szczątkowymi.

Co decyduje o możliwościach wykończenia powierzchni?

Rozmiar plamki, moc wiązki, strategia skanowania, późniejsza grubość warstwy proszku, zanieczyszczenie cząstkami stałymi i wpływ gradientu termicznego łączą się, aby zapewnić wyjątkową jakość powierzchni po wytworzeniu.

Jakie środki ostrożności są wymagane?

Oprócz zabezpieczeń związanych z obsługą proszków, systemy wiązki elektronów wymagają certyfikowanych pomieszczeń z osłoną w postaci klatki Faradaya, blokad bezpieczeństwa, obliczania maksymalnego czasu ekspozycji.

Jakie są typowe etapy przetwarzania końcowego?

Procesy końcowe, takie jak prasowanie izostatyczne na gorąco w celu zmniejszenia porowatości, obróbka cieplna w celu zwiększenia wydajności mechanicznej i obróbka subtraktywna są powszechnie stosowane do wykańczania komponentów.

poznaj więcej procesów druku 3D