electron beam melting 3d printing
Spis treści
Przegląd
Drukowanie 3D wiązką elektronów to technologia wytwarzania przyrostowego, która wykorzystuje wiązkę elektronów jako źródło energii do selektywnego topienia i stapiania cząstek proszku metalicznego warstwa po warstwie w celu wytworzenia złożonych części 3D.
W porównaniu z innymi metodami druku 3D z metalu, EBM oferuje wyraźne korzyści, takie jak doskonałe właściwości mechaniczne, wysokie tempo budowy, korzyści przetwarzania próżniowego i przydatność do materiałów reaktywnych. Jednak wysoki koszt sprzętu i ograniczone opcje materiałowe ograniczyły wykorzystanie EBM do wymagających zastosowań w przemyśle lotniczym, medycznym i motoryzacyjnym.
Ten kompleksowy przewodnik obejmuje technologię EBM, proces, materiały, zastosowania, producentów systemów, koszty, zalety/ograniczenia i inne często zadawane pytania, aby pomóc producentom ocenić, czy EBM jest odpowiednim rozwiązaniem AM dla ich potrzeb.
Jak Drukowanie 3D wiązką elektronów Prace
Drukowanie EBM obejmuje następujące kluczowe kroki:
Przygotowanie modelu 3D
- Model CAD zoptymalizowany pod kątem EBM - grubość ścianek, podpory, orientacja itp.
Konwersja plików do .STL
- Geometria CAD przekonwertowana do pliku .STL z trójkątnymi fasetami
Konfiguracja maszyny
- Wprowadzanie parametrów kompilacji - prędkość, moc, przesunięcie ostrości itp.
- Załadowany materiał, parametry dostosowane na podstawie właściwości proszku
Zgarnianie proszku
- Proszek równomiernie rozsypywany na platformie roboczej w kontrolowanych warstwach
Topienie wiązką elektronów
- Skupiona wiązka elektronów selektywnie topi proszek, tworząc każdą warstwę.
- Środowisko próżniowe zapobiega utlenianiu
Opuszczanie platformy
- Po stopieniu warstwy platforma jest indeksowana w dół według grubości warstwy
- Świeża warstwa proszku rozprowadzona na poprzedniej warstwie
Usuwanie z maszyny
- Nadmiar proszku usuwany z budowanych części
- Odłączone konstrukcje wsporcze
- Przetwarzanie końcowe wykonane w razie potrzeby
Proces budowania warstwa po warstwie umożliwia tworzenie skomplikowanych, zoptymalizowanych geometrii o doskonałych właściwościach.
![topienie wiązką elektronów druk 3d 1 electron beam melting 3d printing](https://met3dp.com/wp-content/uploads/2023/09/Tungsten-Powder.jpg)
Materiały do druku EBM 3D
EBM jest kompatybilny z wieloma stopami metali:
Materiał | Kluczowe właściwości | Zastosowania |
---|---|---|
Stopy tytanu | Wysoka wytrzymałość, niski współczynnik masy | Lotnictwo i kosmonautyka, implanty medyczne |
Nadstopy niklu | Odporność na ciepło i korozję | Łopatki turbin, dysze rakiet |
Kobalt-chrom | Biokompatybilność, wysoka twardość | Implanty dentystyczne, urządzenia medyczne |
Stale narzędziowe | Doskonała odporność na zużycie | Narzędzia tnące, formy, matryce |
Stale nierdzewne | Odporność na korozję, wysoka plastyczność | Pompy, zawory, zbiorniki |
Możliwe jest drukowanie zarówno standardowych, jak i niestandardowych stopów zoptymalizowanych pod kątem EBM. W przypadku nowych materiałów wymagane jest dostrojenie parametrów w celu uzyskania pożądanych właściwości.
Dostawcy maszyn EBM
Do głównych producentów sprzętu EBM należą:
Dostawca | Kluczowe modele maszyn | Build Envelope |
---|---|---|
Arcam EBM (GE Additive) | Arcam A2X, Q10plus, Spectra H, Spectra L | 254 x 254 x 380 mm |
Velo3D | Szafir | 250 x 250 x 300 mm |
Raycham | EBAM 300 | 300 x 300 x 300 mm |
Sciaky | EBAM 110 | 1100 x 1100 x 900 mm |
JEOL | JEM-ARM300F | 300 x 300 x 300 mm |
Arcam EBM był pionierem komercyjnych systemów EBM. Inni dostawcy weszli na rynek niedawno, rozszerzając możliwości w zakresie materiałów i rozmiarów.
Specyfikacje
Typowe specyfikacje systemu EBM:
Parametr | Specyfikacja |
---|---|
Moc wiązki | Do 12 kW |
Przyspieszenie napięcia | 60 kV |
Prąd wiązki | Do 40 mA |
Rozmiar wiązki | Minimum 200 μm |
Prędkość skanowania | Do 8000 m/s |
Przesunięcie ostrości | Automatyczny, możliwość ustawienia 0-5 mm |
Próżnia | 5 x 10-4 mbar |
Grubość warstwy | 50-200 μm |
Maksymalny rozmiar kompilacji | 1100 x 1100 x 900 mm |
Powtarzalność | ± 0,2% wysokości zabudowy |
Wyższa moc i dokładniejsze ogniskowanie zapewniają ostrzejsze baseny stopu i lepszą rozdzielczość elementów. Większe koperty ułatwiają produkcję seryjną.
Zasady projektowania EBM
Kluczowe zasady projektowania części EBM:
- Minimalizacja niepodpartych powierzchni, aby zapobiec zniekształceniom
- Używaj samonośnych kątowników powyżej 45°, aby uniknąć podpór
- Zaprojektowane kanały wewnętrzne do usuwania nieroztopionego proszku
- Uwzględnienie skurczu ~20% w porównaniu do ostatecznych wymiarów części
- Zawiera teksturowanie poprawiające przepływ proszku do skomplikowanych obszarów
- Pozycjonowanie części w celu równomiernego nagrzewania i wydajnego pakowania
- Konstrukcja minimalizująca ilość uwięzionego proszku
- Utrzymuj zwisy powyżej 30°, aby zapobiec kapaniu.
- W razie potrzeby użyj wsporników kratowych
Swoboda projektowania EBM umożliwia konsolidację zespołów w zoptymalizowane, lekkie części monolityczne.
Zastosowania EBM
EBM jest idealny dla:
Przemysł lotniczy i motoryzacyjny:
- Łopatki turbin, wtryskiwacze paliwa, ramy strukturalne, skomplikowane obudowy
Medyczne:
- Implanty ortopedyczne, protezy, narzędzia chirurgiczne wymagające biokompatybilności
Przemysłowe:
- Lekkie elementy robotyki, części do obsługi płynów narażone na korozję
Obrona:
- Trwałe, niestandardowe komponenty, takie jak kanały chłodzące i mocowania
R&D:
- Nowe stopy, kompozyty na osnowie metalowej i struktury kratowe
Połączenie swobody projektowania, właściwości inżynieryjnych i ekonomii produkcji EBM sprawia, że jest to proces wybierany do krytycznych zastosowań.
Analiza kosztów
System EBM i koszt produkcji części zależą od:
Zakup maszyny
- ~$800,000 dla średniej wielkości maszyn produkcyjnych
- Wielomilionowe inwestycje dla dużych systemów
Koszt materiałów
- Proszek może wahać się od $100-500/kg
- Ceny niektórych stopów, takich jak Ti64, są bardzo wysokie
Koszt operacyjny
- Średni koszt maszyny ~$50-150/godz.
- Praca związana z przetwarzaniem wstępnym i końcowym
Rozmiar części
- Większe części wymagają więcej materiału i czasu budowy
- Małe części można zagnieżdżać w celu zwiększenia wydajności
Przetwarzanie końcowe
- Obróbka cieplna, CNC, wykończenie zwiększają koszty
Całkowity koszt na część
- Małe części ~ $20-$50 na cal sześcienny
- Duże części ~$5-$15 na cal sześcienny
Wyższe wykorzystanie dzięki produkcji seryjnej i zagnieżdżaniu obniża koszt na część.
Kontrola i optymalizacja procesów
Krytyczne parametry procesu do kontrolowania:
- Moc - Wpływ na wielkość puli stopu, penetrację, szybkość budowy
- Prędkość - Wpływ na rozdzielczość, wykończenie powierzchni, kształty osadów
- Przesunięcie ostrości - Kontroluje kształt wiązki, penetrację, defekty
- Grubość warstwy - Określa rozdzielczość osi Z, czas kompilacji
- Rozstaw włazów - Dostosuj, aby osiągnąć wymaganą gęstość, zapobiegaj kulkowaniu
- Strategia skanowania - Jednokierunkowe, wyspowe wzory konturów wpływają na naprężenia szczątkowe i odkształcenia
- Rozgrzewanie - Poprawia spiekanie proszku, zmniejsza pękanie i wypaczanie
Projektowanie eksperymentów w połączeniu z badaniami puli stopu i charakterystyką mikrostrukturalną informuje o doborze parametrów w celu uzyskania pożądanych właściwości.
Przetwarzanie końcowe
Typowe etapy przetwarzania końcowego EBM:
- Usuwanie - Depowdering do odłączania części od płyty montażowej
- Usunięcie wsparcia - W razie potrzeby odcięcie struktur wsparcia
- Łagodzenie stresu - Obróbka cieplna zapobiegająca pękaniu
- Wykończenie powierzchni - Obróbka, szlifowanie, polerowanie w celu poprawy wykończenia
- Prasowanie izostatyczne na gorąco - Stosuje ciepło i ciśnienie, aby zamknąć pozostałe pory i poprawić gęstość.
- Kontrola - Potwierdzanie wymiarów, składu materiału, wad
Minimalizacja podpór i obróbki końcowej jest kluczową kwestią podczas projektowania części EBM.
Kwalifikacje i certyfikacja
Części EBM przeznaczone dla branż regulowanych wymagają:
- Testowanie zgodnie z obowiązującymi normami, takimi jak ASTM F2924, ASTM F3001 itp.
- Szeroka kontrola metrologiczna pod kątem krytycznych wymiarów i jakości powierzchni
- Analiza składu materiału poprzez analizę chemiczną, charakterystyka mikrostruktury
- Ocena właściwości mechanicznych, takich jak rozciąganie, zmęczenie, testy odporności na pękanie
- Kontrola nieniszcząca z wykorzystaniem tomografii rentgenowskiej, badania penetracyjnego cieczy itp.
- Dokumentacja pełnej identyfikowalności proszku, parametrów budowy, przetwarzania końcowego itp.
- Formalna kwalifikacja części i certyfikacja przez odpowiednie organy
Przestrzeganie ustalonych protokołów i standardów gwarantuje, że części spełniają rygorystyczne wymagania jakościowe.
EBM w porównaniu z innymi metalami AM
Zalety EBM
- Doskonałe właściwości materiału dzięki szybszemu chłodzeniu
- Wysoka produktywność i niski koszt części
- Wymagane minimalne struktury wsparcia
- Brak wpływu naprężeń szczątkowych i odkształceń
- Środowisko próżniowe zapobiega utlenianiu
- Niższe gradienty termiczne w porównaniu z procesami laserowymi
Ograniczenia
- Tylko materiały przewodzące, obecnie ograniczone opcje materiałowe
- Więcej ograniczeń geometrycznych niż w przypadku lasera AM
- Szorstkie wykończenie powierzchni często wymaga obróbki końcowej
- Koszt sprzętu jest wyższy niż w przypadku systemów laserowych
Pomyślne wdrożenie EBM
Klucze do przyjęcia EBM:
- Ocena wymagań aplikacji części w stosunku do możliwości EBM
- Ocena oczekiwanego wykorzystania maszyn w celu określenia zwrotu z inwestycji
- Uwzględnienie czasu/kosztów przetwarzania końcowego podczas planowania
- Współpraca z doświadczonymi biurami obsługi w celu zminimalizowania krzywej uczenia się.
- Wykorzystanie wiedzy projektowej EBM do przeprojektowania części w celu uzyskania optymalnej zdolności produkcyjnej
- Przejście od prototypowania do produkcji seryjnej w celu maksymalizacji wydajności
- Wdrożenie solidnych protokołów zarządzania jakością i certyfikacji
Holistyczne podejście do wdrożenia umożliwia firmom wykorzystanie korzyści EBM i stanie się liderami produkcji.
![Drukowanie 3d wiązką elektronów 8 electron beam melting 3d printing](https://met3dp.com/wp-content/uploads/2023/10/CoCr28Mo6-Powder.jpg)
Najczęściej zadawane pytania
Jakie materiały są używane w EBM?
Powszechnie stosowane są stopy tytanu, nadstopy niklu, stale narzędziowe, kobaltowo-chromowe i stale nierdzewne. Możliwe jest drukowanie zarówno standardowych, jak i niestandardowych stopów zoptymalizowanych pod kątem EBM.
Jak wypada koszt EBM w porównaniu z innymi procesami AM?
Maszyny EBM i surowce proszkowe są droższe niż laserowe systemy AM. Jednak wyższe tempo produkcji i produktywność mogą to zrównoważyć w zastosowaniach produkcyjnych.
Jakie są kluczowe różnice między EBM a selektywnym stapianiem laserowym?
Szybsze tempo budowy, praca w podwyższonej temperaturze i doskonałe właściwości materiału wyróżniają EBM, podczas gdy ograniczenia w wykończeniu powierzchni i swobodzie geometrycznej są głównymi kompromisami.
Jakie rodzaje obróbki końcowej są zazwyczaj wymagane w przypadku części EBM?
Usuwanie podpór, odprężająca obróbka cieplna, prasowanie izostatyczne na gorąco i wykańczanie powierzchni, takie jak obróbka CNC, są powszechne. Minimalizacja podpór podczas projektowania ogranicza obróbkę końcową.
Jakiej wielkości części można zbudować przy użyciu technologii EBM?
Małe systemy stacjonarne mają objętość roboczą poniżej 100 mm sześciennych, podczas gdy duże systemy produkcyjne mogą pomieścić części o wielkości ponad metra. Maksymalny rozmiar zwiększa się wraz z nowszymi maszynami wielkoformatowymi.
Wnioski
Unikalne możliwości szybkiego topienia EBM umożliwiają produkcję skomplikowanych elementów metalowych o niezrównanych właściwościach i wydajności. Podczas gdy koszty sprzętu i opcje materiałowe ograniczały do tej pory adopcję, ciągłe postępy otwierają nowe zastosowania w sektorach lotniczym, medycznym, obronnym, motoryzacyjnym i energetycznym. Przyszłość EBM rysuje się w jasnych barwach, jako że jakość i niezawodność części stale się poprawia, a proszki metali stają się bardziej dostępne i przystępne cenowo. Świadomi producenci, którzy wykorzystują zalety EBM, jednocześnie biorąc pod uwagę jego ograniczenia, są gotowi zakłócić dotychczasowych operatorów i stać się nowymi liderami.
Udostępnij
Facebook
Twitter
LinkedIn
WhatsApp
E-mail
MET3DP Technology Co., LTD jest wiodącym dostawcą rozwiązań w zakresie produkcji addytywnej z siedzibą w Qingdao w Chinach. Nasza firma specjalizuje się w sprzęcie do druku 3D i wysokowydajnych proszkach metali do zastosowań przemysłowych.
Zapytaj o najlepszą cenę i spersonalizowane rozwiązanie dla Twojej firmy!
Powiązane artykuły
Informacje o Met3DP
Odtwórz wideo
Ostatnia aktualizacja
Nasz produkt
KONTAKT
Masz pytania? Wyślij nam wiadomość teraz! Po otrzymaniu wiadomości obsłużymy Twoją prośbę całym zespołem.
![metalowe logo 3dp małe](https://met3dp.com/wp-content/uploads/2023/09/metal-3dp-logo-small.png)
Proszki metali do druku 3D i produkcji addytywnej
PRODUKT
cONTACT INFO
- Miasto Qingdao, Shandong, Chiny
- [email protected]
- [email protected]
- +86 19116340731