Аддитивное производство EBM

Обзор аддитивного производства EBM

Электронно-лучевая плавка (EBM) — это тип аддитивного производства методом плавления в порошковом слое, в котором электронный луч используется для выборочного плавления и плавления частиц металлического порошка слой за слоем для создания сложных трехмерных деталей.

Ключевые характеристики процесса EBM включают в себя:

• Создает полностью плотные детали из металлического порошка.
• Использует электронный луч в качестве источника энергии
• Работает в вакууме и при высокой температуре.
• Достигает превосходных механических свойств.
• Идеально подходит для химически активных металлов, таких как титан и тантал.
• Позволяет создавать сложные геометрии, недоступные при механической обработке.
• Для достижения окончательной отделки детали может потребоваться постобработка.

EBM обеспечивает преимущества свободы проектирования, консолидации деталей, снижения веса и повышения производительности в аэрокосмической, медицинской, стоматологической, автомобильной и промышленной сферах.

Как Аддитивное производство EBM Работает

Процесс аддитивного производства EBM работает следующим образом:

1. 3D-модель CAD нарезается на тонкие слои поперечного сечения.
2. Металлический порошок равномерно распределяется по рабочей пластине в вакуумной камере.
3. Электронный луч выборочно сканирует и плавит порошок на основе данных среза.
4. Рабочая пластина опускается, и на нее наносится еще один слой порошка.
5. Шаги 3–4 повторяются до тех пор, пока деталь не будет завершена.
6. Излишки порошка удаляются и деталь подвергается термообработке.
7. При необходимости может быть выполнена постобработка, такая как механическая обработка или сверление.

Машина EBM точно управляет электронным лучом с помощью электромагнитных линз и отклоняющих катушек. Процесс происходит в условиях высокого вакуума, что обеспечивает очень высокие температуры плавления.

Типы систем аддитивного производства EBM

Существует два основных типа машин EBM:

Arcam EBM и GE Additive — основные производители систем EBM, предлагающие как небольшие, так и крупносерийные машины.

Материалы для аддитивного производства EBM

С помощью технологии EBM можно обрабатывать ряд металлов:

• Титановые сплавы: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
• Никелевые сплавы: Инконель 718, Инконель 625.
• Кобальтохромовые сплавы: КоКрМо
• Стали: Нержавеющие стали, инструментальные стали, мартенситностареющие стали.
• Тугоплавкие металлы: Тантал, вольфрам
• Драгоценные металлы: Серебро, золото, платина.
• Алюминиевые сплавы: АлСи10Мг

Титан особенно подходит для EBM из-за его реакционной способности. Но этот процесс также позволяет создавать высокопрочные и устойчивые к коррозии детали из других современных сплавов.

Применение аддитивного производства EBM

Основные приложения включают в себя:

Аэрокосмическая промышленность: Лопатки турбин, детали двигателей, планер и детали конструкции.

Медицинские имплантаты: Ортопедические имплантаты, устройства фиксации, хирургические инструменты.

Автомобильная промышленность: Колеса турбокомпрессора, гидроблоки, детали топливной системы.

Промышленность: Теплообменники, сосуды под давлением, корпуса насосов, приспособления и приспособления.

Нефть и газ: Скважинные инструменты, корпуса клапанов, манифольды.

Оборона: Компоненты спутников и БПЛА, броня.

EBM позволяет создавать более легкие, прочные и высокопроизводительные компоненты с оптимизированной конструкцией для всех этих отраслей.

Преимущества Аддитивное производство EBM

Преимущества технологии EBM включают в себя:

• Низкая пористость – Приближение плотности к 100% обеспечивает превосходные механические свойства.
• Высокая прочность – Титановые сплавы соответствуют свойствам деформируемых материалов и даже превосходят их.
• Свобода проектирования - Возможно изготовление изделий сложной геометрии.
• Быстрое прототипирование – Ускоряет циклы разработки продукта
• Объединение частей – Уменьшает количество сборок за счет интеграции нескольких компонентов
• Снижение веса – Более легкие компоненты позволяют экономить топливо в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
• Производство точно в срок – Сокращает длительные сроки изготовления отливок и поковок.
• Индивидуальные продукты – Медицинские устройства, ориентированные на пациентов, и персонализированные потребительские товары.
• Устойчивое производство – Снижает количество отходов по сравнению с субтрактивными методами

Эти преимущества стимулируют внедрение EBM во всех отраслях для повышения производительности, снижения затрат и создания возможностей для внедрения новых продуктов.

Ограничения аддитивного производства EBM

EBM имеет некоторые ограничения:

• Высокая стоимость оборудования – Машины EBM имеют высокие первоначальные капитальные затраты в диапазоне $500 000–$1,5 миллиона.
• Ограничения по размеру детали – Конверты сборки ограничивают максимальные размеры детали.
• Точность размеров – Постобработка часто требуется для достижения жестких допусков
• Обработка поверхности – Эффект ступенчатости приводит к образованию шероховатых поверхностей, требующих финишной обработки.
• Скорость сборки – Медленнее, чем процессы плавления в порошковом слое с использованием лазерных или электронных лучей.
• Реактивные металлы – Ограничено инертными металлами или такими металлами, как титан и тантал.
• Удаление порошка – Неиспользованный металлический порошок необходимо удалить и отправить на переработку.
• Термические напряжения – Может привести к короблению детали и растрескиванию.

Постоянное развитие технологии EBM направлено на повышение скорости, качества, гибкости материалов и экономической эффективности.

Принципы проектирования для аддитивного производства EBM

Следующие рекомендации по проектированию имеют решающее значение для успешного использования технологии EBM:

• Минимизируйте свесы и неподдерживаемые геометрии.
• Предусмотрите небольшие отверстия (1–2 мм) для удаления излишков порошка.
• Используйте решетчатые конструкции для снижения веса.
• Поддерживать толщину стенок более 1 мм
• Включите углы ≥ 30°, чтобы избежать концентрации напряжений.
• Учитывайте коэффициент линейного масштабирования 0,2%.
• Допуск 0,2 мм на мелкие детали.
• Спроектируйте внутренние каналы ≥ 2 мм для очистки от порошка.
• Минимизируйте области скопления захваченного порошка
• Расположите деталь на пластине, чтобы минимизировать площадь поперечного сечения.

Инструменты моделирования помогают оценить эффективность проектирования на ранних этапах процесса проектирования. Конструкции могут быть оптимизированы с учетом возможностей AM.

Параметры процесса для EBM

Критические параметры процесса EBM включают в себя:

• Мощность луча – Влияет на скорость наращивания, пористость, микроструктуру
• Скорость луча – Более высокие скорости увеличивают скорость сборки, но могут снизить плотность
• Фокус луча – Слияние управления фокусировкой и отклонением
• Стратегия сканирования – Чередование направления растра между слоями снижает остаточные напряжения.
• Толщина слоя – Более тонкие слои улучшают разрешение, но снижают скорость сборки.
• Температура сборки – Более высокие температуры уменьшают остаточные напряжения, но снижают точность
• Размер ванны расплава – Влияет на местную микроструктуру и свойства
• Сырье – Распределение размеров и морфология порошка влияют на плотность и качество поверхности.

Управление этими параметрами позволяет настраивать свойства и качество для конкретных приложений.

Постобработка деталей EBM

Общие этапы постобработки деталей EBM включают в себя:

• Удаление порошка — Дробеструйная очистка для удаления излишков порошка из внутренних полостей
• Снятие стресса – Горячее изостатическое прессование помогает снизить остаточные напряжения.
• Отрезать – Электроэрозионная обработка проволоки для удаления деталей со сборочной пластины
• Обработка – Фрезерование, токарная обработка и сверление на станках с ЧПУ для достижения точности размеров и качества поверхности.
• Полировка – Для глянцевой поверхности визуальных деталей, таких как ювелирные изделия и медицинские имплантаты.
• Покрытия – Нанесение износостойких, малофрикционных или эстетичных покрытий.
• Испытание качества – Измерение механических свойств, внутренних дефектов, микроструктуры

Минимизация постобработки снижает общую стоимость детали. Но критически важные приложения могут потребовать тщательной отделки для соответствия спецификациям.

Контроль качества для EBM

Строгие процедуры контроля качества производства EBM включают:

• Проверка сырья — ситовой анализ, тестирование скорости потока и микроскопия порошкового сырья.
• Мониторинг в процессе процесса: размер ванны расплава, температура порошкового слоя, уровень вакуума
• Проверка размеров – КИМ и другие метрологические проверки критических размеров
• Механические испытания – растяжение, сжатие, микротвердость, вязкость разрушения, усталость.
• Неразрушающий контроль – рентгеновская компьютерная томография для проверки внутренних дефектов.
• Металлография – определение микроструктуры с использованием оптической и электронной микроскопии.
• Анализ плотности – метод Архимеда или гелиевая пикнометрия для проверки плотности ≥ 99,5%.
• Измерение шероховатости поверхности – оптическая профилометрия для количественной оценки текстуры поверхности.
• Химический анализ – ICP и масс-спектроскопия для проверки состава
• Проверочные сборки — тестовые сборки для проверки параметров процесса для новых деталей.

Это комплексное тестирование подтверждает качество продукции EBM для строгого промышленного применения.

Моделирование затрат для Аддитивное производство EBM

Общие затраты зависят от:

• Стоимость машины – Высокие инвестиции в капитальное оборудование
• Стоимость материалов – Стоимость порошкового сырья/кг
• Эксплуатационные расходы – Труд, энергия, техническое обслуживание, инертный газ
• Постобработка — Дополнительная механическая обработка и чистовая обработка.
• Скорость сборки – Более быстрая сборка снижает затраты
• Коэффициент использования – Более высокая степень использования станка приводит к распределению затрат на большее количество деталей.
• Соотношение покупки и полета – Неиспользованный порошок должен быть переработан, что увеличивает затраты.
• Геометрия детали – Компактные детали максимально увеличивают использование объема сборки
• Объем сборки – Более крупные машины обеспечивают более высокую производительность
• Экономия на масштабе – Крупносерийное производство снижает затраты на деталь

Затраты значительно снижаются по мере увеличения объемов производства и возможности повторного использования излишков порошка.

Выбор поставщика аддитивного производства EBM

Критерии выбора поставщика услуг EBM:

• Проверенные установки систем и отзывы клиентов
• Разнообразный сертифицированный опыт применения в аэрокосмической, медицинской и промышленной сферах.
• Ассортимент сертифицированных материалов, таких как титан, инконель, кобальт-хром.
• Сертификация системы менеджмента качества – ISO 9001, AS9100.
• Строгие процедуры контроля качества
• Инвентаризация стандартных и специальных порошков
• Вторичные возможности внутренней обработки и отделки
• Поддержка проектирования и услуги моделирования
• Профессиональные инженеры в штате с опытом работы в металлургии
• Большие конверты для сборки для высокой производительности
• Прозрачная структура конкурентных цен
• Способен управлять ITAR и другими регулируемыми проектами.
• Расположен поблизости, что позволяет проводить личные встречи и сотрудничать.

Признанные поставщики услуг с опытом работы в регулируемых отраслях, как правило, лучше всего соответствуют строгим ожиданиям в отношении качества.

Плюсы и минусы EBM по сравнению с другими методами AM

Преимущества ЭБМ:

• Полностью плотные металлические детали, конкурирующие по свойствам с коваными.
• Хорошее качество поверхности на поверхностях, обращенных вверх.
• Высокая скорость сборки по сравнению с лазерными процессами
• Низкие остаточные напряжения по сравнению с лазерной сваркой в порошковом слое.
• Отличные механические свойства готовых компонентов
• Контроль ванны расплава позволяет улучшить микроструктуру
• Инертные условия сборки идеальны для химически активных металлов, таких как титан.
• Экономичность для средних и больших объемов производства.

Недостатки ЭБМ:

• Более высокая стоимость оборудования, чем у полимерных систем.
• Ограниченный выбор материалов по сравнению с лазерным PBF
• Контролируемый процесс, требующий обученных операторов
• Часто требуется значительная постобработка
• Потребляет большое количество электроэнергии
• Максимальный размер детали ограничен конвертом сборки
• Обращение и переработка порошков химически активных металлов
• Более низкая точность профиля, чем у механически обработанных или кованых деталей.

Для производства металлических компонентов в средних и больших объемах компания EBM превосходно обеспечивает высокую прочность и качество при разумных затратах. Но чтобы освоить этот процесс, необходим опыт.

Сравнение EBM, DMLS и SLM

EBM против DMLS:

EBM против SLM:

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какие материалы можно обрабатывать с помощью технологии EBM?

Наиболее распространенными материалами EBM являются титановые сплавы, никелевые сплавы, такие как инконель, кобальт-хром и некоторые инструментальные стали. В последнее время стали также использоваться тугоплавкие металлы и алюминиевые сплавы.

Какой толщины слоя можно достичь с помощью систем EBM?

Машины EBM могут наносить слои толщиной до 50 микрон. Более тонкие слои толщиной 25–35 микрон характерны для небольших сложных деталей, а для более крупных грубых деталей используются слои толщиной 70–100 микрон.

Какие методы постобработки используются для компонентов EBM?

Типичная постобработка включает удаление порошка, снятие напряжений, обрезку от пластины, механическую обработку, обработку поверхности, такую как шлифовка или полировка, а также проверку и тестирование.

Какой точности и чистоты поверхности можно достичь с помощью деталей EBM?

Достижима точность размеров около ±0,2% (±0,5 мм на 25 см), но допуски можно дополнительно улучшить за счет последующей обработки. Исходная шероховатость поверхности находится в пределах 10-50 мкм Ra.

Чем EBM отличается от DMLS для аэрокосмических приложений?

EBM может соответствовать свойствам материалов традиционно кованых титановых компонентов для конструкционных применений. Он обеспечивает более высокую скорость сборки, чем DMLS, но обычно требует более обширной постобработки.

узнать больше о процессах 3D-печати