Wprowadzenie do procesu ebm

Topienie wiązką elektronów (EBM) to proces wytwarzania przyrostowego, który wykorzystuje wiązkę elektronów do selektywnego topienia proszku metalu warstwa po warstwie w celu zbudowania w pełni gęstych części. Niniejszy przewodnik zawiera szczegółowy przegląd Proces EBM w tym sposób działania, materiały, zastosowania, zalety, kwestie projektowe, sprzęt, przetwarzanie końcowe, kontrola jakości, porównania, koszty i najczęściej zadawane pytania.

Wprowadzenie do topienia wiązką elektronów (EBM)

Stapianie wiązką elektronów jest rodzajem produkcji addytywnej, w której wiązka elektronów selektywnie stapia obszary złoża proszku w celu warstwowego konstruowania części.

Kluczowe korzyści EBM obejmują:

• W pełni zwarte części metalowe
• Doskonałe właściwości mechaniczne
• Dobre wykończenie powierzchni i rozdzielczość
• Wysokie tempo produkcji i niskie koszty w przeliczeniu na część
• Wymagane minimalne struktury wsparcia
• Powtarzalne i spójne wyniki

EBM umożliwia bezpośrednią produkcję złożonych, wysokowydajnych komponentów metalowych w zastosowaniach lotniczych, medycznych, motoryzacyjnych i przemysłowych.

Jak działa proces EBM

Proces EBM obejmuje następujące kluczowe kroki:

Proces topienia wiązką elektronów

• Model CAD podzielony na warstwy
• Proszek rozprowadzony w cienką warstwę
• Wiązka elektronów skanuje i topi proszek
• Warstwa połączona z poprzednimi warstwami
• Powtarzane warstwowo aż do zbudowania części
• Niestopiony proszek wspiera część
• Usuwanie z maszyny i przetwarzanie końcowe

Poprzez selektywne topienie warstw proszku, złożone geometrie mogą być wytwarzane bezpośrednio z danych cyfrowych.

Materiały dla EBM

EBM może przetwarzać szereg materiałów przewodzących, w tym

• Stopy tytanu, takie jak Ti6Al4V
• Stopy kobaltowo-chromowe
• Nadstopy na bazie niklu
• Stale narzędziowe, takie jak H13
• Stopy aluminium
• Czysta miedź
• Metale szlachetne, takie jak złoto, srebro

Zarówno standardowe, jak i niestandardowe stopy zoptymalizowane pod kątem AM mogą być drukowane w technologii EBM. Złoże proszkowe umożliwia drukowanie stopów, które nie są łatwe w obróbce innymi metodami.

Aplikacje EBM

EBM dobrze nadaje się do komponentów, które czerpią z tego korzyści:

• Złożone geometrie możliwe tylko dzięki AM
• Krótki czas produkcji
• Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
• Dobra odporność na zmęczenie i pękanie
• Doskonałe właściwości mechaniczne
• Biokompatybilność i odporność na korozję
• Wydajność w wysokich temperaturach
• Konsolidacja części - redukcja etapów montażu

Zastosowania przemysłowe obejmują:

• Lotnictwo i kosmonautyka: wsporniki konstrukcyjne, koła turbosprężarki, części silnika
• Medycyna: implanty ortopedyczne, narzędzia chirurgiczne
• Motoryzacja: lekkie konstrukcje kratowe
• Przemysł: wymienniki ciepła, części do transportu płynów

EBM wspiera innowacyjne projekty w różnych sektorach dzięki szerokim opcjom stopów i doskonałym właściwościom mechanicznym.

Zalety wytwarzania przyrostowego metodą topienia wiązką elektronów

Kluczowe korzyści płynące z procesu EBM obejmują

• W pełni zwarte części metalowe - Gęstość 99,9%+ dopasowana i przewyższająca właściwości odlewu.
• Właściwości mechaniczne - Doskonała wytrzymałość, trwałość zmęczeniowa, twardość i odporność na pękanie.
• Wysokie wskaźniki budowy - Ponad 100 cm3/h możliwe dzięki jednoczesnemu skanowaniu wielu regionów.
• Niskie koszty operacyjne - Głównym kosztem operacyjnym jest energia elektryczna. Zużywają mniej energii niż procesy laserowe.
• Minimalne wsparcie - Części samonośne podczas budowy, wymagające niewielkiego usuwania podpór po obróbce.
• Możliwość recyklingu proszku - Niewykorzystany proszek może być ponownie użyty, co znacznie obniża koszty materiałów.
• Zmniejszona ilość odpadów - Bardzo wysoki wskaźnik ponownego wykorzystania proszku i produkcja zbliżona do kształtu netto skutkuje mniejszą ilością odpadów niż procesy obróbki skrawaniem.
• Konsolidacja części - Łączenie zespołów w pojedyncze części drukowane w celu ograniczenia etapów produkcji i montażu.

W przypadku produkcji metali w zastosowaniach lotniczych, medycznych, motoryzacyjnych i przemysłowych, EBM zapewnia wysoką wydajność wytwarzania przyrostowego, której nie da się łatwo osiągnąć innymi metodami.

Rozważania dotyczące projektu EBM

Aby w pełni wykorzystać zalety EBM, projekty powinny być zgodne z zasadami projektowania AM:

• Wykorzystanie organicznych, bionicznych kształtów niemożliwych do uzyskania dzięki obróbce skrawaniem
• Minimalizacja podpór poprzez zaprojektowanie odpowiedniej geometrii
• Zoptymalizowana grubość ścianek zapewnia równowagę między szybkością i wytrzymałością
• Uwzględnienie możliwości minimalnego rozmiaru funkcji
• Orientacja części w celu maksymalizacji rozdzielczości i właściwości mechanicznych
• W miarę możliwości konsoliduj podzespoły w pojedyncze części.
• Rozważmy wpływ produkcji warstwowej
• Zaprojektowane kanały wewnętrzne do usuwania nieroztopionego proszku

Współpracuj z doświadczonymi specjalistami inżynierii AM, aby projektować wysokowydajne części dostosowane do możliwości EBM.

Sprzęt dla procesu EBM

Systemy EBM składają się z:

• Kolumna z wiązką elektronów - Potężna wiązka elektronów
• Kasety z proszkiem - Dostarczaj świeży proszek
• Zbiorniki na proszek - Podawanie proszku warstwami
• Budowa zbiornika - Zawiera platformę konstrukcyjną i rosnące części
• Pompa próżniowa - Utrzymuje wysokie podciśnienie podczas budowy
• Elementy sterujące - Oprogramowanie do przygotowywania i monitorowania kompilacji

Przemysłowe systemy EBM umożliwiają zarówno prototypowanie, jak i produkcję seryjną. Wśród producentów znajdują się Arcam EBM i GE Additive.

Kluczowe specyfikacje maszyny EBM:

• Rozmiar obudowy - średnica do 500 mm, wysokość do 380 mm
• Moc wiązki - do 3,7 kW
• Skupienie wiązki - wielkość plamki do 0,1 mm
• Szybkość budowania - Możliwe ponad 700 cm3/h
• Próżnia - wymagana wysoka próżnia 10-4 mbar
• Precyzyjna kontrola warstwy - grubość 0,05 mm

Opcje takie jak wiele zasobników proszku lub pistoletów wiązki umożliwiają większą przepustowość. Komora robocza jest utrzymywana w wysokiej próżni podczas drukowania za pomocą zintegrowanych pomp próżniowych.

Przetwarzanie końcowe EBM

Po wydrukowaniu części poddawane są obróbce końcowej:

• Usuwanie proszku - Nadmiar proszku jest odzyskiwany i przesiewany do ponownego użycia
• Usunięcie wsparcia - Wymagane minimalne ręczne usuwanie
• Obróbka cieplna - Odciążenie i zmiana mikrostruktury w razie potrzeby
• Wykończenie powierzchni - Obróbka skrawaniem, śrutowanie, szlifowanie lub polerowanie w razie potrzeby

Ponieważ struktury podporowe są minimalne, a wysoką gęstość uzyskuje się bezpośrednio z maszyny EBM, obróbka końcowa jest stosunkowo prosta w porównaniu z niektórymi innymi metodami AM.

Kontrola jakości dla EBM

Spójne wyniki wysokiej jakości wymagają procedur takich jak

• Kompilacje walidacyjne do wybierania parametrów i weryfikacji właściwości
• Monitorowanie właściwości proszku i jego ponowne użycie
• Testowanie właściwości mechanicznych na potrzeby kwalifikacji
• Skanowanie CT lub kontrola rentgenowska złożonych geometrii wewnętrznych
• Kontrola dokładności wymiarowej
• Pomiar chropowatości powierzchni
• Dokumentacja parametrów kompilacji i identyfikowalność partii
• Okresowa kalibracja i konserwacja sprzętu EBM

Współpracuj z doświadczonymi dostawcami z rygorystycznymi systemami jakości dostosowanymi do sektorów regulowanych wymagających kwalifikacji części.

Jak EBM wypada na tle innych metod addytywnych?

EBM vs SLM:

• EBM wykorzystuje elektrony, podczas gdy SLM wykorzystuje laser
• EBM ma wyższą szybkość budowy, podczas gdy SLM oferuje dokładniejszą rozdzielczość
• EBM nie wymaga gazu obojętnego, podczas gdy SLM zwykle wykorzystuje azot
• Oba urządzenia wytwarzają części metalowe o niemal pełnej gęstości w złożu proszkowym

EBM vs Binder Jetting:

• EBM topi proszek, podczas gdy strumień spoiwa skleja cząstki razem
• EBM tworzy części o gęstości >99%, podczas gdy rozpylanie spoiwa wytwarza "zielone" części wymagające spiekania.
• Metale EBM zachowują doskonałe właściwości, podczas gdy wtryskiwanie spoiwa ma niższą wydajność

EBM vs DED:

• EBM wykorzystuje złoże proszkowe vs proszek wdmuchiwany do DED
• EBM ma wyższą dokładność i wykończenie powierzchni, podczas gdy DED jest szybszy
• EBM ma minimalne wsparcie, podczas gdy DED potrzebuje więcej wsparcia

W przypadku małych i średnich ilości metalowych części końcowych, EBM korzystnie konkuruje z innymi procesami AM opartymi na proszkach pod względem kosztów.

Podział kosztów części EBM

Analizując koszty części EBM, kluczowe czynniki obejmują:

• Koszty maszyn - Godzinowa stawka leasingu operacyjnego. Przebiegi ~$100-$300/godz.
• Praca - Projektowanie części, optymalizacja, obróbka wstępna i końcowa.
• Proszek - Wybór materiałów i wskaźniki ponownego wykorzystania mają duży wpływ na koszty.
• Energia - Energia elektryczna do zasilania maszyny EBM i urządzeń pomocniczych.
• Kontrola jakości - Stopień testowania zależy od aplikacji.
• Przetwarzanie końcowe - Automatyzacja oznacza niższe koszty przetwarzania.
• Objętość - Konfiguracja jest kosztem stałym amortyzowanym przy wyższych wolumenach.

Wykorzystanie zasad projektowania EBM i procedur jakościowych dostosowanych do zastosowań produkcyjnych zapewnia bardzo opłacalne części metalowe, nieosiągalne w inny sposób.

Trendy innowacji w technologii EBM

Postępy w technologii i aplikacjach EBM obejmują:

• Większe koperty robocze i szybsze skanowanie umożliwiające produkcję na większą skalę
• Systemy wielowiązkowe nowej generacji zwiększające przepustowość
• Rozszerzone opcje materiałowe, takie jak miedź, aluminium i niestandardowe stopy
• Zautomatyzowana obsługa proszków i wewnętrzny sprzęt metrologiczny
• Hybrydowe centra obróbcze EBM i CNC
• Oprogramowanie projektowe integrujące możliwości EBM dla "projektowania dla AM"
• Optymalizacja łańcucha dostaw z rozproszonymi modelami produkcji

Innowacje te przyczynią się do zwiększenia popularności EBM w branżach regulowanych, doceniając jakość, spójność i wydajność tej technologii.

FAQ

P: Jakie materiały można przetwarzać za pomocą EBM?

O: Tytan, nadstopy niklu, stale narzędziowe, kobalt, chrom, aluminium i metale szlachetne są powszechnie przetwarzane. Można stosować zarówno standardowe, jak i niestandardowe stopy zoptymalizowane pod kątem AM.

P: Jakie branże korzystają z EBM?

O: Sektory lotniczy, medyczny, motoryzacyjny i przemysłowy wykorzystują EBM do wysokowydajnych metalowych części końcowych, które nie są łatwe do wyprodukowania w konwencjonalny sposób.

P: Jakie jest typowe wykończenie powierzchni?

O: Typowe wykończenie powierzchni po wydrukowaniu mieści się w zakresie 15-25 mikronów Ra, ale w razie potrzeby można je jeszcze poprawić za pomocą obróbki końcowej.

P: Jak dokładna jest EBM w porównaniu do obróbki CNC?

O: Dokładność wymiarowa w zakresie 0,1-0,3% jest standardem dla technologii EBM, porównywalnym lub przewyższającym dokładność obróbki maszynowej dla większości cech.

P: Jakie rodzaje kanałów wewnętrznych i geometrii mogą być produkowane?

O: Złożone kanały o swobodnych kształtach i siatki o średnicach do 1-2 mm mogą być niezawodnie wytwarzane przy użyciu technologii EBM.

P: Czy można galwanizować części EBM?

O: Tak, części EBM mogą przewodzić prąd elektryczny i w razie potrzeby łatwo przyjmować powłoki galwaniczne, takie jak chrom, złoto lub srebro.

P: Czy właściwości mechaniczne są porównywalne z metalami kutymi?

O: Tak, części EBM spełniają lub przewyższają wytrzymałość na rozciąganie, zmęczenie i odporność na pękanie kutych odpowiedników.

P: Jak długo trwa tworzenie części?

O: Szybkość budowania zależy od geometrii, ale waha się od 5 do 20 cm3/godz. na nowoczesnych maszynach EBM, umożliwiając szybką realizację.

P: Czy EBM wymaga jakiegokolwiek wsparcia?

O: Ze względu na wysoką temperaturę złoża proszku potrzebne są minimalne podpory. Skraca czas obróbki końcowej.

P: Czy EBM jest przyjazny dla środowiska?

O: EBM ma dobre referencje w zakresie zrównoważonego rozwoju dzięki wysokim wskaźnikom ponownego wykorzystania proszku i niskiej ilości odpadów w porównaniu z procesami subtraktywnymi. Zużycie energii na część spada dzięki urządzeniom nowszej generacji.

poznaj więcej procesów druku 3D