Zrozumienie technologii EBM

Technologia EBM to zaawansowana technologia produkcji addytywnej o unikalnych możliwościach. Niniejszy przewodnik zawiera kompleksowy przegląd technologii EBM, w tym jej działanie, korzyści, zastosowania, dostawców systemów i porównanie z innymi procesami druku 3D.

Wprowadzenie do topienia wiązką elektronów (EBM)

Topienie wiązką elektronów to technika wytwarzania przyrostowego, która wykorzystuje wiązkę elektronów do selektywnego topienia i stapiania cząstek proszku metalicznego warstwa po warstwie. Kluczowe cechy:

• Wykorzystuje wiązkę elektronów jako źródło energii do topienia proszku metalu
• Buduje części poprzez selektywne topienie warstw proszku
• Typowe materiały to tytan, stopy niklu, stale narzędziowe, aluminium
• Produkuje w pełni zwarte części o doskonałych właściwościach
• Obsługuje złożone geometrie, które nie są możliwe w przypadku odlewania/obróbki skrawaniem
• Zapewnia swobodę projektowania, dostosowanie, skrócenie czasu realizacji

EBM zapewnia doskonałe właściwości mechaniczne, czystość materiału, wykończenie powierzchni i dokładność wymiarową w częściach do zastosowań końcowych w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i innych.

Niniejszy przewodnik zawiera szczegółowy przegląd procesu EBM, technologii, zalet, zastosowań, dostawców systemów i porównanie z innymi metodami AM.

Jak Technologia EBM Prace

Topienie wiązką elektronów wytwarza części w następujących kluczowych etapach:

Etapy procesu EBM

• Model 3D zaprojektowany w oprogramowaniu CAD jest konwertowany do pliku .STL
• Plik jest dzielony na warstwy i generowana jest sekwencja kompilacji
• Metalowy proszek jest równomiernie rozprowadzany na płycie roboczej
• Wiązka elektronów selektywnie skanuje i topi proszek w celu stopienia warstw
• Płyta konstrukcyjna opuszcza się i rozprowadzana jest nowa warstwa proszku.
• Proces powtarza się, aż cała część zostanie zbudowana warstwa po warstwie.
• Niestopiony proszek podtrzymuje część podczas budowy
• Ukończona część jest usuwana z maszyny w celu dalszej obróbki.
• Wiązka elektronów o wysokiej energii zapewnia szybkie, precyzyjne topienie i spawanie
• Proces odbywa się w wysokiej temperaturze pod próżnią w celu zapewnienia czystości
• Niewykorzystany proszek jest odzyskiwany i ponownie wykorzystywany, co minimalizuje ilość odpadów.

Rodzaje systemów EBM

Obecnie dostępne są dwa główne typy systemów EBM:

Typy systemów EBM

• Systemy z jedną wiązką wykorzystują pojedynczą wiązkę elektronów o dużej mocy, zazwyczaj 50-60 kW. Szybkość budowy jest wolniejsza ze względu na wymagania skanowania.
• Systemy wielowiązkowe Wykorzystanie wielu wiązek razem dla większej prędkości. Znacznie skraca czas skanowania.
• Moc pojedynczej wiązki wynosi od 3 do 6 kW. Całkowita moc w systemach wielowiązkowych wynosi ponad 10 MW.
• Systemy wielowiązkowe najnowszej generacji znacznie poprawiają szybkość budowy.
• Sterowanie wiązką, skanowanie i ogniskowanie są krytycznymi podsystemami dla precyzyjnego topienia.

Materiały dla EBM

EBM jest kompatybilny z szeregiem metali i stopów, w tym:

Materiały EBM

• Stopy tytanu, takie jak Ti-6Al-4V, są najczęściej stosowane w krytycznych komponentach lotniczych.
• Nadstopy niklu doskonale sprawdzają się w środowiskach o wysokiej temperaturze, takich jak silniki turbinowe.
• Stale narzędziowe zapewniają twardość wymaganą dla długotrwałych form i narzędzi.
• Biokompatybilne stopy są wykorzystywane do produkcji implantów i urządzeń medycznych.
• EBM obsługuje metale reaktywne, takie jak tytan i aluminium, lepiej niż procesy laserowe.

Korzyści i zalety EBM

Kluczowe korzyści, które sprawiają, że EBM jest atrakcyjny dla aplikacji produkcyjnych, obejmują

Korzyści EBM

• W pełni zwarte, pozbawione pustych przestrzeni części
• Doskonałe właściwości mechaniczne
• Wysoka dokładność geometryczna i wymiarowa
• Dobre wykończenie powierzchni i drobne detale
• Niskie wymagania dotyczące przetwarzania końcowego
• Części o wysokiej czystości i mniejszym zanieczyszczeniu
• Mniej odpadów materiałowych dzięki odzyskiwaniu proszku
• Obsługiwane są złożone geometrie wewnętrzne
• Łączy wiele części w jedną konstrukcję

vs. Tradycyjna produkcja

• Umożliwia tworzenie lżejszych i mocniejszych konstrukcji, co nie jest możliwe w przypadku odlewania lub obróbki skrawaniem.
• Konsoliduje zespoły w pojedyncze części drukowane
• Umożliwia tworzenie kształtów, których nie można formować ani wykuwać.
• Skraca czas realizacji z miesięcy do tygodni
• Niższe koszty produkcji małych partii

Aplikacje EBM

Zalety EBM sprawiają, że jest on odpowiedni dla:

Aplikacje EBM

• Przemysł lotniczy szeroko wykorzystuje EBM do produkcji lżejszych, mocniejszych części ze stopów tytanu i niklu.
• Sektor medyczny wykorzystuje swobodę geometryczną EBM i biokompatybilność implantów.
• Badacze branży motoryzacyjnej wykorzystują go do tworzenia lekkich, zoptymalizowanych projektów topologii.
• Kanały chłodzące mogą być wbudowane w oprzyrządowanie do formowania wtryskowego.
• Przemysł naftowy i gazowy wykorzystuje go do komponentów wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych.
• Elektronika czerpie korzyści z precyzyjnych detali i stopów przewodzących EBM.

Dostawcy systemów EBM

Do głównych producentów dostarczających systemy EBM należą:

Dostawcy maszyn EBM

• Arcam EBM, obecnie część GE Additive, jest liderem na rynku systemów EBM.
• Inne firmy, takie jak Freemelt i Wayland Additive, oferują nowszej generacji wielowiązkowe systemy EBM.
• Pojemność maszyn waha się od 150 mm x 150 mm x 150 mm do większych wersji 1000 mm.
• Najnowsze maszyny EBM zapewniają zautomatyzowaną obsługę proszku i recykling w obiegu zamkniętym.
• Dostosowane parametry i wsparcie szkoleniowe są dostępne dla różnych aplikacji.

Analiza kosztów EBM

Koszty produkcji EBM zależą od:

Czynniki kosztów EBM

• Cena zakupu maszyny - od $500,000 do ponad $2 milionów
• Koszt materiału w proszku za kg
• Koszty pracy związane z projektowaniem części, obsługą, obróbką końcową
• Wielkość produkcji
• Szybkość kompilacji i wskaźniki wykorzystania
• Zużycie energii
• Konserwacja sprzętu i koszty ogólne

Typowy zakres

• Małe części z Ti-6Al-4V: $20 - 150 na część
• Większe komponenty lotnicze i kosmiczne: $2000 - 15,000+
• Produkcja wielkoseryjna z systemami wielowiązkowymi zapewnia najniższe koszty

Porównanie między EBM i inne procesy AM

EBM vs. Inne metalowe AM

• Laser PBF oferuje szybsze tempo budowy i dokładniejszą rozdzielczość niż EBM.
• EBM zapewnia doskonałe właściwości materiału przy mniejszych naprężeniach wewnętrznych.
• Wtryskiwanie spoiwa jest tańsze, ale wymaga spiekania w celu uzyskania pełnej gęstości.
• DED jest szybki, ale nadaje się do zastosowań przemysłowych na dużą skalę.
• Użytkownicy wybierają proces w oparciu o materiały, jakość, szybkość i potrzeby budżetowe.

Wyzwania i ograniczenia EBM

Niektóre wyzwania związane z EBM obejmują:

• Wysokie koszty maszyn i materiałów
• Ograniczeni dostawcy sprzętu i wsparcie serwisowe
• Ograniczony wybór materiałów w porównaniu do innych AM
• Niższe prędkości budowania niż w przypadku laserowego PBF
• Obsługa i recykling reaktywnych proszków metali
• Przetwarzanie końcowe w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych
• Wymóg środowiska próżniowego podczas kompilacji

Bieżące prace rozwojowe mają na celu zwiększenie szybkości budowy, obniżenie kosztów sprzętu, rozszerzenie możliwości materiałowych i zwiększenie skalowalności procesu do produkcji wielkoseryjnej.

Perspektywy na przyszłość dla Technologia EBM

Przyszłe trendy w EBM:

• Szybsze budowanie dzięki nowszym systemom wielowiązkowym
• Większe platformy konstrukcyjne powyżej 500 mm x 500 mm
• Rozszerzony zakres materiałów, w tym więcej stopów aluminium i miedzi
• Ulepszona obsługa proszku i recykling w obiegu zamkniętym
• Ulepszenia oprogramowania do projektowania i optymalizacji procesów
• Niższe koszty sprzętu i szersze zastosowanie w produkcji końcowej
• Zastosowania w komponentach satelitarnych, transporcie elektrycznym, narzędziach i sektorach biomedycznych

Postępy w systemach EBM zwiększą ich zastosowanie w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, medycznym, elektronicznym i energetycznym.

Kluczowe wnioski dotyczące technologii EBM

• EBM wykorzystuje wiązkę elektronów do selektywnego topienia i stapiania cząstek proszku metalu warstwa po warstwie.
• Produkuje części o kształcie zbliżonym do siatki o wysokiej czystości materiału, gęstości, wytrzymałości i dokładności.
• Stopy tytanu, superstopy niklu, stale narzędziowe, stopy aluminium to powszechnie stosowane materiały.
• Sektory lotniczy i medyczny są obecnie głównymi użytkownikami EBM.
• Zapewnia korzyści w porównaniu z odlewaniem, obróbką skrawaniem i innymi metodami AM w przypadku złożonych geometrii.
• Systemy wielowiązkowe znacznie zwiększają szybkość budowy i skalę produkcji.
• Bieżący rozwój ma na celu rozszerzenie możliwości materiałowych i obniżenie kosztów.

Najczęściej zadawane pytania dotyczące technologii EBM

P: Jakie materiały można przetwarzać za pomocą EBM?

Typowe materiały EBM obejmują stopy tytanu, nadstopy niklu, stale narzędziowe, stale nierdzewne, chrom kobaltowy, stopy aluminium i stopy miedzi.

P: Jakie są przykłady części produkowanych przez EBM?

EBM jest wykorzystywany do produkcji krytycznych komponentów lotniczych, takich jak łopatki turbin, ramy strukturalne, części silnika. Jest również wykorzystywany do produkcji implantów medycznych, prototypów samochodowych, oprzyrządowania przemysłowego i nie tylko.

P: Jak dokładne jest EBM?

EBM oferuje doskonałą dokładność wymiarową w zakresie ±0,2% w porównaniu do wymiarów projektowych dzięki precyzyjnemu procesowi topienia wiązką elektronów.

P: Czy EBM jest szybszy niż metody druku 3D z metalu, takie jak DMLS?

O: Ogólnie rzecz biorąc, procesy laserowej syntezy w złożu proszkowym oferują obecnie większe prędkości wytwarzania niż EBM. Jednak nowe wielowiązkowe systemy EBM dążą do dorównania lub przewyższenia prędkości laserowego PBF.

P: Jaka obróbka końcowa jest wymagana dla części EBM?

Typowa obróbka końcowa obejmuje usuwanie podpór, obróbkę cieplną odprężającą, prasowanie izostatyczne na gorąco oraz obróbkę skrawaniem lub szlifowanie, jeśli wymagania dotyczące wykończenia powierzchni są krytyczne.

P: Jakie są korzyści z wielowiązkowego EBM?

O: Systemy wielowiązkowe wykorzystują wiele równoległych wiązek elektronów do stapiania warstw. Zapewnia to znacznie szybsze tempo budowy przy zachowaniu właściwości materiału EBM.

P: Czy EBM produkuje części porowate lub całkowicie stałe?

EBM produkuje ponad 99% gęstych, w pełni litych części o doskonałej integralności materiałowej i właściwościach odpowiednich do funkcjonalnego zastosowania końcowego w wymagających aplikacjach.

P: W jaki sposób proszek EBM jest poddawany recyklingowi?

Niewykorzystany proszek można zebrać, przesiać w celu usunięcia dużych cząstek, zmieszać ze świeżym proszkiem i ponownie wprowadzić do urządzenia w celu ponownego użycia.

P: Czy EBM jest przyjazny dla środowiska?

EBM przynosi korzyści w zakresie zrównoważonego rozwoju dzięki wysokim wskaźnikom ponownego wykorzystania proszku, niskiej ilości odpadów i lekkim, zoptymalizowanym projektom, które zmniejszają zużycie materiału w całym cyklu życia części.

poznaj więcej procesów druku 3D