Przegląd technologii topienia wiązką elektronów

Topienie wiązką elektronów (EBM) to technologia wytwarzania przyrostowego powszechnie stosowana w druku 3D z metalu. EBM wykorzystuje potężną wiązkę elektronów jako źródło ciepła do selektywnego topienia i stapiania proszków metalicznych warstwa po warstwie w celu tworzenia w pełni gęstych części bezpośrednio z danych CAD.

W porównaniu z innymi metodami druku 3D z metalu, takimi jak procesy laserowe, EBM oferuje pewne unikalne zalety pod względem szybkości kompilacji, właściwości materiału, jakości i opłacalności. Ma jednak również pewne ograniczenia w zakresie rozdzielczości, wykończenia powierzchni i opcji materiałowych.

Niniejszy przewodnik zawiera szczegółowy przegląd technologii topienia wiązką elektronów, w tym:

• Jak działa EBM
• Typy urządzeń i główne komponenty
• Materiały i zastosowania
• Uwagi projektowe
• Parametry procesu
• Zalety i ograniczenia
• Porównanie dostawców
• Wytyczne operacyjne
• Analiza kosztów
• Wybór odpowiedniego systemu EBM

Jak działa topienie wiązką elektronów

Proces EBM odbywa się w komorze wysokiej próżni wypełnionej obojętnym argonem. Metaliczny proszek jest rozprowadzany cienkimi warstwami na platformie roboczej za pomocą rakli. Wiązka elektronów z działa elektronowego jest wykorzystywana do selektywnego topienia i stapiania obszarów każdej warstwy proszku zgodnie z danymi wycinka z modelu CAD.

Platforma konstrukcyjna obniża się stopniowo z każdą nową warstwą. Części są budowane bezpośrednio na platformie, bez konieczności stosowania konstrukcji wsporczych ze względu na niezależny od geometrii charakter syntezy złoża proszku. Po zakończeniu, nadmiar proszku jest usuwany, aby odsłonić solidną część wydrukowaną w 3D.

Wysoka gęstość energii wiązki elektronów skutkuje szybkim topnieniem i krzepnięciem, umożliwiając wysokie tempo produkcji. Proces EBM odbywa się w podwyższonych temperaturach do 1000°C, co zmniejsza naprężenia szczątkowe i zniekształcenia.

Części wydrukowane przy użyciu EBM osiągają gęstość ponad 99%, a właściwości materiału są porównywalne lub lepsze od tradycyjnych.

Typy i komponenty urządzeń EBM

Systemy EBM zawierają następujące główne komponenty:

Działo elektronowe - generuje skupioną wiązkę elektronów o wysokiej energii

Sterowanie wiązką - elektromagnesy kierują i odchylają wiązkę elektronów

Zasilacz wysokiego napięcia - przyspiesza elektrony do 60 kV

Komora próżniowa - zapewnia środowisko wysokiej próżni

Dozowanie proszku - nakłada i rozprowadza warstwy proszku metalicznego

Kasety na proszek / podnośniki - przechowywanie i dostarczanie proszku

Tworzenie platformy - obniża się stopniowo w miarę budowania warstw

Wężownice grzewcze - podgrzewa złoże proszku do 1000°C

Konsola sterowania - komputer i oprogramowanie do obsługi systemu

Istnieje kilka odmian komercyjnych maszyn EBM:

Większe obwiednie i wyższa moc wiązki umożliwiają szybsze tworzenie, większe części i wyższą produktywność. Mniejsze maszyny mają zwykle lepszą rozdzielczość i wykończenie powierzchni.

Materiały i zastosowania EBM

Najpopularniejszymi materiałami stosowanymi w EBM są:

• Stopy tytanu, takie jak Ti-6Al-4V
• Nadstopy na bazie niklu, takie jak Inconel 718, Inconel 625
• Stopy kobaltowo-chromowe
• Stale narzędziowe, takie jak H13, stal maraging
• Stopy aluminium
• Stopy miedzi
• Stale nierdzewne, takie jak 17-4PH, 316L

Kluczowe zastosowania EBM obejmują:

• Lotnictwo i kosmonautyka - łopatki turbin, wirniki, wsporniki konstrukcyjne
• Medycyna - implanty ortopedyczne, protetyka
• Motoryzacja - komponenty do sportów motorowych, oprzyrządowanie
• Przemysł - części do transportu płynów, wymienniki ciepła
• Oprzyrządowanie - formy wtryskowe, odlewy ciśnieniowe, matryce do wytłaczania

Korzyści płynące z EBM dla tych aplikacji obejmują

• Wysoka wytrzymałość i odporność na zmęczenie
• Złożone geometrie z siatkami i kanałami wewnętrznymi
• Krótkie czasy realizacji dla części metalowych
• Konsolidacja zespołów w jeden element
• Lekkość i optymalizacja konstrukcji
• Dostosowywanie i personalizacja części

Rozważania dotyczące projektu EBM

EBM nakłada pewne ograniczenia projektowe:

• Minimalna grubość ścianki 0,8-1 mm, aby zapobiec zapadaniu się
• Brak podcięć lub zwisów poziomych
• Maksymalny niepodparty zwis 45
• Otwarte kanały wewnętrzne o średnicy minimum 1 mm
• Drobne elementy ograniczone do rozdzielczości 0,5-1 mm

Projekty powinny unikać stromych gradientów termicznych, aby zminimalizować naprężenia szczątkowe:

• Jednolita grubość ścianki
• Stopniowe zmiany grubości przekroju
• Podpory wewnętrzne i kratownice dla dużych objętości

Obróbka końcowa, taka jak obróbka skrawaniem, wiercenie i polerowanie, może poprawić wykończenie powierzchni.

Parametry procesu EBM

Kluczowe parametry procesu EBM:

• Wiązka elektronów - Prąd wiązki, skupienie, prędkość, wzór
• Proszek - Materiał, grubość warstwy, rozmiar cząstek
• Temperatura - Rozgrzewanie, temperatura kompilacji, strategia skanowania
• Prędkość - Odległość punktu, prędkość konturu, prędkość kreskowania

Parametry te kontrolują właściwości takie jak gęstość, precyzja, wykończenie powierzchni, mikrostruktura:

Precyzyjne dostrojenie tych parametrów jest wymagane w celu uzyskania optymalnych właściwości materiału i dokładności dla każdego stopu.

Zalety topienia wiązką elektronów

Kluczowe korzyści EBM obejmują:

• Wysoka wydajność produkcji - możliwa do 80 cm3/godz.
• W pełni zagęszczone części - osiągnięto gęstość ponad 99%
• Doskonałe właściwości mechaniczne - wytrzymałość, twardość, odporność na zmęczenie materiału
• Wysoka dokładność i powtarzalność - precyzja ±0,2 mm
• Wymagane minimalne wsparcie - redukcja przetwarzania końcowego
• Wysoka temperatura - zmniejsza naprężenia szczątkowe
• Niski poziom zanieczyszczeń - środowisko próżniowe o wysokiej czystości

Szybkie prędkości skanowania skutkują szybkimi cyklami topienia i krzepnięcia, tworząc drobnoziarniste mikrostruktury. Metoda budowania warstwowego pozwala uzyskać części o właściwościach porównywalnych z kutymi.

Ograniczenia topienia wiązką elektronów

Wady EBM obejmują:

• Ograniczona rozdzielczość - minimalny rozmiar elementu ~0,8 mm
• Chropowate wykończenie powierzchni - efekt schodków, wymaga wykończenia
• Ograniczone materiały - głównie stopy Ti, stopy Ni, obecnie CoCr
• Wysoki koszt sprzętu - od $350,000 do $1 mln+ za maszynę
• Wolny czas nagrzewania wstępnego - 1-2 godziny do osiągnięcia temperatury roboczej
• Ryzyko zanieczyszczenia - cyrkon może zanieczyścić stopy reaktywne
• Zarządzanie proszkami - recykling, obsługa drobnych proszków
• Wymagania dotyczące linii wzroku - poziome zwisy nie są możliwe

Anizotropowy warstwowy wzór budowy i efekt "schodków" ze spiekanych warstw proszku tworzy widoczne prążki na powierzchniach skierowanych do góry. Wiązka elektronów może stapiać materiał tylko w bezpośredniej linii wzroku.

Dostawcy maszyn EBM

Do głównych producentów sprzętu EBM należą:

Systemy Arcam EBM mają najszersze możliwości materiałowe, podczas gdy Sciaky oferuje rozwiązania produkcyjne na dużą skalę. SLM Solutions i JEOL zapewniają również technologię EBM skoncentrowaną na metalach.

Obsługa systemów EBM

Obsługa urządzenia EBM:

1. Zainstalować sprzęt EBM z odpowiednim zasilaniem, chłodzeniem, gazem obojętnym i wentylacją wyciągową.
2. Ładowanie danych CAD i wprowadzanie parametrów kompilacji do oprogramowania EBM
3. Przesiewanie i ładowanie proszku metalicznego do kaset
4. Wstępne podgrzanie złoża proszku do temperatury procesu
5. Kalibracja ogniskowania i mocy wiązki elektronów
6. Rozpocznij budowę warstwową, gdy wiązka skanuje i topi proszek
7. Przed wyjęciem części z urządzenia należy pozwolić im powoli ostygnąć.
8. Usunąć nadmiar proszku za pomocą odkurzacza
9. Wycinanie części z płyty montażowej i przetwarzanie końcowe

Właściwe obchodzenie się z proszkiem i jego przechowywanie ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia zanieczyszczenia, które może powodować wady. Niezbędna jest również regularna konserwacja żarnika wiązki, filtrów proszku i systemu próżniowego.

Analiza kosztów przetwarzania EBM

Czynniki kosztowe dla produkcji EBM:

• Amortyzacja maszyny - ~15-20% całkowitego kosztu części
• Praca - obsługa maszyny, przetwarzanie końcowe
• Proszek - $100-500/kg dla stopów tytanu
• Moc - wysokie zużycie energii elektrycznej podczas budowy
• Argon - dzienne zużycie gazu oczyszczającego
• Konserwacja - źródło wiązki, system próżniowy, grabie
• Przetwarzanie końcowe - usuwanie podpór, wykańczanie powierzchni

Oszczędność skali można osiągnąć poprzez grupowanie mniejszych części w jednym cyklu produkcyjnym. Większe maszyny produkują części szybciej i bardziej ekonomicznie. Wysoki koszt początkowy systemu rozkłada się na większą liczbę części.

W przypadku produkcji małoseryjnej, outsourcing do biura serwisowego minimalizuje koszty ogólne sprzętu.

Jak wybrać system EBM

Kluczowe kwestie przy wyborze maszyny EBM:

• Zbuduj kopertę - dopasowanie do wymagań dotyczących rozmiaru części
• Precyzja - minimalny rozmiar elementu i wymagania dotyczące wykończenia powierzchni
• Materiały - Stopy wymagane do zastosowań
• Przepustowość - dzienne/miesięczne cele dotyczące wielkości produkcji
• Wymagania dotyczące zasilania - dostępna moc zasilania elektrycznego
• Oprogramowanie - Łatwość obsługi, elastyczność, formaty danych
• Przetwarzanie końcowe - czas i koszty wykończenia
• Szkolenie i wsparcie - instalacja, obsługa, konserwacja
• Całkowity koszt - cena systemu, koszty operacyjne, proszek

Przeprowadzenie testów budowy przykładowych części na różnych systemach EBM w celu oceny rzeczywistej jakości części i ekonomii.

Zainwestuj w największą kopertę konstrukcyjną, która pasuje do budżetu i ograniczeń przestrzennych, aby umożliwić przyszłą rozbudowę. Nawiąż współpracę z renomowanym dostawcą, który może zapewnić stałe wsparcie techniczne.

FAQ

P: Jak dokładne jest EBM?

O: Dokładność wymiarowa i tolerancje ±0,2 mm są typowe dla części EBM. Możliwe są drobne elementy o grubości do 0,3 mm.

P: Jakie materiały mogą być stosowane w EBM oprócz metali?

O: EBM ogranicza się do przewodzących stopów metali. Fotopolimery i ceramika nie mogą być obecnie przetwarzane ze względu na źródło energii wiązki elektronów.

P: Czy EBM wymaga jakiegokolwiek wsparcia?

EBM nie wymaga konstrukcji wsporczych dla zwisów mniejszych niż 45° ze względu na niezależny od geometrii charakter stapiania w złożu proszkowym. Minimalne podpory wewnętrzne mogą być pomocne w przypadku dużych profili zamkniętych.

P: Jakie jest wykończenie powierzchni?

O: Gotowe części EBM mają stosunkowo szorstkie powierzchnie z powodu warstw proszku i ścieżek skanowania. W celu poprawy wykończenia powierzchni wymagana jest obróbka skrawaniem, szlifowanie lub polerowanie.

P: Jak drogi jest EBM w porównaniu do innych procesów druku 3D?

O: Sprzęt EBM ma wyższy koszt początkowy od $350,000 do ponad $1 miliona. Jednak wysoka prędkość wytwarzania może to zrównoważyć, zmniejszając koszty części na dużą skalę. Koszt procesu w przeliczeniu na część jest konkurencyjny w stosunku do innych metod druku 3D z metalu.

P: Czy części EBM wymagają obróbki końcowej?

Większość części EBM będzie wymagać obróbki końcowej, takiej jak wycinanie z płyty konstrukcyjnej, odprężanie, obróbka powierzchni, wiercenie otworów, szlifowanie lub polerowanie w celu uzyskania ostatecznego wykończenia części, tolerancji i wyglądu. Minimalne ręczne poprawki mogą być potrzebne do złamania ostrych krawędzi lub zmniejszenia chropowatości.

poznaj więcej procesów druku 3D