Производственный процесс eBM

Электронно-лучевая плавка (EBM) - это процесс аддитивного производства, в котором используется электронный луч для выборочного послойного расплавления металлического порошка с целью создания полностью плотных деталей. Процесс ebm-производства предлагает возможности, превосходящие традиционные методы производства, для изготовления сложных высокопроизводительных металлических деталей.

Обзор производственного процесса ebm

EBM работает так же, как и другие технологии плавления в порошковом слое. Процесс происходит в высоковакуумной камере, где электронный луч избирательно сканирует и расплавляет порошок, распределенный тонкими слоями на плите. После того как каждый слой расплавлен, плита опускается, и на поверхность насыпается еще порошок, затем электронный луч расплавляет и сплавляет следующий слой.

Ключевые детали:

• Послойная сборка деталей из металлического порошка
• Электронный луч избирательно плавит порошок
• Процесс происходит в вакууме
• Высокая мощность луча для быстрого плавления
• Используемые вспомогательные конструкции, удаляемые после обработки
• Повторяется до тех пор, пока не будет сформирована полная часть

Преимущества:

• Свобода проектирования для сложных геометрий
• Функциональные металлические детали прямо из CAD
• Отличные механические свойства
• Детали высокой плотности, до 99,9%
• Сокращение отходов по сравнению с механической обработкой

EBM обеспечивает большую свободу производства сложных геометрических форм с меньшими ограничениями по углам, свесам и подрезам по сравнению с традиционным изготовлением. Детали, изготовленные с помощью EBM, обладают механическими свойствами, сравнимыми или превосходящими свойства деформированных изделий.

Материалы, используемые в EBM

Компания EBM способна обрабатывать различные сплавы, превращая их в полностью плотные детали. В основном используются титан, алюминий, кобальт-хром, никелевые сплавы, нержавеющие и инструментальные стали.

Материалы:

• Титан Ti64, Ti64ELI, коммерчески чистый титан
• Алюминий AlSi10Mg, AlSi12, Скальмаллой
• Кобальт-хром CoCrMo, CoCrW
• Никелевые сплавы IN718, IN625, IN939
• Нержавеющие стали 316L, 17-4PH, 304L, 420
• Инструментальные стали H13, D2, M2
• Другие: CuSn10, CuCr1Zr

Титановые сплавы широко используются в аэрокосмических компонентах наряду с никелевыми суперсплавами. Кобальт-хром популярен для медицинских имплантатов. Формы из инструментальной стали и алюминиевые компоненты используются в автоматизации и автомобилестроении. Можно использовать различные металлические порошки размером до 15 микрон.

Возможности процесса EBM

EBM может напрямую производить конечные детали и изделия, готовые к эксплуатации, практически без последующей обработки. Некоторые ключевые возможности включают:

Геометрическая сложность

• Сложные решетки и сетчатые структуры
• Глубокие каналы, подкопы, туннели
• Тонкие стенки (< 1 мм) и мелкие детали
• Облегчение оптимизации топологии

Механические свойства

• Показатели прочности и твердости соответствуют или превосходят показатели деформируемых металлов
• Сопротивление усталости и разрушению наравне с коваными изделиями
• Плотные компоненты с пористостью менее 0,8%

Точность и разрешение

• Точность с точностью до 0,2 мм или 2% от размера детали
• Наибольший размер изображения около 0,3 мм
• Тончайшие стенки 0,25-0,5 мм
• Минимальные размеры функций продолжают увеличиваться

Отделка поверхности

• Шероховатость необработанной поверхности EBM около 5-9 мкм
• Финишное профилирование позволяет достичь шероховатости 1,5 мкм
• Дополнительные процессы, используемые для более тонкой полировки

Создание томов

• Коммерческие системы имеют диаметр от 150 мм до 1000 x 600 x 500 мм.
• В разработке находятся и более крупные таможенные системы
• Постоянное улучшение максимальных размеров деталей

Этапы процесса аддитивного производства EBM

Процесс производства по технологии EBM состоит из ряда этапов, в ходе которых происходит настройка, подготовка, изготовление и послойная сборка металлических деталей аддитивным способом с использованием электронного луча для расплавления и сплавления материала.

Этапы процесса EBM:

1. 3D-модель детали и оптимизация конструкции для AM
2. Преобразование файлов в стандартный формат для системы EBM
3. Выберите материал, установите параметры сборки
4. Подготовьте металлический порошок в соответствии с техническими условиями
5. Загрузите порошок в машину, выровняйте зону сборки
6. Нанесите слой порошка, разогрейте лучом
7. Люки для расплавления каждого слоя, плавкий металл
8. Опустите платформу, добавьте следующий слой
9. Повторите наслоение/плавление для завершения детали
10. Извлеките из камеры, отделите часть от опорной плиты
11. Снимите опорные конструкции с детали
12. Последующая обработка посредством механической обработки, полировки, горячего изостатического прессования по мере необходимости

Критические параметры процесса, оптимизированные для каждого материала, включают мощность луча, скорость луча, расстояние между люками, стратегию сканирования, время нанесения слоя, толщину слоя, температуру предварительного нагрева и термообработку после процесса. Настройка этих параметров позволяет регулировать плотность деталей, остаточные напряжения, качество поверхности, микроструктуру и механические свойства.

Преимущества электронно-лучевого аддитивного производства

EBM обеспечивает ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционным субтрактивным производством или другими аддитивными методами с точки зрения стоимости, производительности, эффективности, сложности, свойств и устойчивости.

Преимущества ЭБМ:

• Свобода проектирования для легких и сложных геометрических форм
• Оптимизированный рабочий процесс от САПР до готовой функциональной детали
• Отказ от использования инструмента и приспособлений для изготовления сложных деталей
• Высокая плотность металла до 99,9%
• Отличные показатели прочности и твердости
• Более низкая стоимость одной детали при малых/средних объемах
• Уменьшение количества отходов металла по сравнению с субтрактивными процессами
• Минимизация последующей обработки и времени выполнения заказа
• Управление параметрами микроструктуры и свойств
• Высокая мощность луча обеспечивает более высокую скорость сборки

Процесс EBM позволяет применять инновационные подходы к проектированию и объединять сложные детали для повышения производительности. Он позволяет быстро изготавливать высокоплотные металлические детали конечного использования без чрезмерных затрат, связанных со специальной оснасткой или обширными отделочными операциями.

Ограничения электронно-лучевого аддитивного производства

Наряду с преимуществами, EBM имеет ряд ограничений, которые также необходимо учитывать при определении пригодности для применения в производстве.

Ограничения EBM:

• Более высокая стоимость оборудования, чем у полимерных систем.
• В настоящее время одобрены только аэрокосмические/медицинские сплавы
• Оптика для отклонения луча ограничивает максимальный размер сборки
• Более низкая скорость сканирования по сравнению с лазерным наплавлением порошкового слоя
• Более низкое разрешение по сравнению с лазерными системами
• Плавление луча зависит от проводимости порошка и высоты сборки
• Постобработка для улучшения качества поверхности
• Возможны небольшие внутренние пустоты или отсутствие дефектов плавления
• Развитие областей мониторинга процессов и контроля качества

Повышенные расходы на оборудование, связанные с электронно-лучевыми системами, приводят к увеличению стоимости деталей, что делает EBM более подходящим для малосерийного производства, где экономия на оснастке компенсирует первоначальные капитальные затраты.

Контроль качества и постобработка в EBM

Как и все процессы аддитивного производства металлов с порошковым слоем, компоненты EBM могут столкнуться с потенциальными проблемами качества, связанными с пористостью, анизотропными свойствами, чистотой поверхности, остаточным напряжением, эффектами порошка и геометрическими размерами, которые требуют смягчения путем оптимизации параметров, последующей обработки, горячего изостатического прессования и процедур контроля качества.

Контроль качества:

• Постоянство свойств исходного металлического порошка
• Оптимизация параметров в зависимости от сплава и геометрии
• Мониторинг тепловых выбросов на месте
• КТ-сканирование после строительства для проверки плотности
• Испытания механических свойств в соответствии со стандартами ASTM

Постобработка:

• Снятие термических напряжений и горячее изостатическое прессование
• Дробеструйная обработка для улучшения качества поверхности
• Фрезерование, точение, шлифование, полирование
• Покрытия или обработка для придания функциональных свойств

В настоящее время продолжается работа по мониторингу процесса в режиме реального времени, контролю качества исходного порошка, моделированию и оптимизации параметров обратной связи в замкнутом контуре для повышения качества и надежности.

Области применения электронно-лучевого аддитивного производства

Свобода проектирования, открываемая EBM, воплощается в высокопроизводительных компонентах конечного использования в прогрессивных отраслях промышленности, расширяя границы в аэрокосмической, оборонной, медицинской, автомобильной и энергетической сферах.

Отраслевые применения:

Аэрокосмическая промышленность - Лопатки турбин, крыльчатки, камеры тяги, решетки Автомобильная промышленность - Облегчение шасси и компонентов трансмиссии Медицина - Ортопедические имплантаты, протезы
Энергия - Теплообменники, сосуды под давлением, бурение Оборона - БПЛА, защитные детали военных машин Инструментальная оснастка - Конформное охлаждение пресс-форм, штампов, шаблонов

EBM облегчает объединение сложных узлов в отдельные детали с улучшенными свойствами и служит для мелко- и среднесерийного производства. Процесс развивается от быстрого создания прототипов к сертифицированному серийному производству по мере совершенствования более широких сплавов и мер контроля качества.

Поставщики оборудования для ЭБМ

Несколько известных промышленных поставщиков предлагают коммерческие системы аддитивного производства EBM вместе с интегрированными решениями для обработки порошка. Разрабатываются также широкоформатные машины на заказ.

Поставщики оборудования EBM:

Малые масштабы / исследовательские системы

• Arcam A2X
• Институт передовых производственных технологий EBAM 150
• Линцский центр мехатроники GmbH Micro-EBAM

Увеличение объемов производства продолжается: в стадии разработки находятся специализированные решения длиной более одного метра. Ширина луча также выходит за рамки одного электронного луча и переходит к нескольким скоординированным лучам для повышения скорости.

Анализ затрат на электронно-лучевое аддитивное производство

Внедрение EBM в качестве конечного процесса аддитивного производства металлов требует соизмерения затрат на приобретение оборудования, расходных материалов и эксплуатационных накладных расходов с экономией на стоимости единицы продукции за счет консолидации узлов, минимизации обработки и правильного размера запасов.

Факторы стоимости - EBM по сравнению с традиционным производством

В целом, EBM дает преимущества при небольших объемах производства сложных металлических деталей от одной до нескольких сотен единиц, когда запасы, время обработки и консолидация сборки компенсируют на порядок более высокие затраты на станки и порошки по сравнению с традиционным крупносерийным производством с дорогостоящей оснасткой и экстремальными размерами партий. Количество деталей, скорость, сложность, целевые показатели производительности и ожидания качества в значительной степени определяют выбор оптимального метода производства.

Соображения безопасности при электронно-лучевом аддитивном производстве

Как и любое другое промышленное оборудование, электронно-лучевая 3D-печать металлов создает риски для здоровья и безопасности, связанные с электричеством высокого напряжения, инертными газами, реактивными металлическими порошками и обращением с токсичными материалами, требующими мер по снижению опасности.

Соображения безопасности EBM:

• Защитная оболочка для высоковольтной электроники
• Экранирование от рентгеновского облучения
• Криогенные газы под давлением
• Реактивная металлическая порошковая пыль
• Воздействие наночастиц
• Эргономика ручного просеивания порошка
• Механические и лазерные блокировки
• Меры предосторожности в отношении воспламеняемости материалов
• Требования к СИЗ персонала
• Блокировка оборудования и электронная остановка
• Текущее обслуживание для обеспечения бесперебойной работы
• Мониторинг часов работы и производительности луча

Тщательное обучение операторов в сочетании с техническим контролем, протоколами безопасности, защитным оборудованием, регламентированным техническим обслуживанием и директивами Assembly Bill и Conformité Européenne, применяемыми к оборудованию порошкового слоя, обеспечивают многоуровневую защиту здоровья и окружающей среды.

Перспективы развития электронно-лучевого аддитивного производства

По мере совершенствования технологии и качества EBM ожидается более широкое внедрение в аэрокосмической, медицинской, промышленной, инструментальной и автомобильной отраслях, где предпочтение отдается приложениям с умеренными объемами производства до нескольких тысяч единиц, где производительность оправдывает более высокую стоимость.

Будущие тенденции в EBM:

• Расширение ассортимента обрабатываемых сплавов
• Оборудование для больших объемов сборки
• Многолучевые системы для повышения скорости
• Увеличенная дальность и точность отклонения луча
• Улучшенная фокусировка и точность луча
• Мониторинг на месте и управление по замкнутому циклу
• Стандартизация параметров процесса
• Комплексные решения по управлению порошками
• Гибридная производственная интеграция
• Контрольные показатели качества для сертификации
• Высокоскоростные производственные приложения

Использование нескольких согласованных электронных пучков позволяет увеличить скорость сканирования в несколько раз. Гибридные системы, сочетающие EBM с фрезерованием или другими вторичными операциями на одной платформе, позволяют оптимизировать последующую обработку. По мере развития оборудования, материалов, протоколов качества и рабочих процессов утверждения деталей внедрение EBM позволяет повысить скорость производства во все более широком спектре сертифицированных приложений.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В: Какие материалы может обрабатывать EBM?

О: EBM обычно обрабатывает титан, алюминий, никель, кобальт-хром, нержавеющую сталь, инструментальную сталь и медные сплавы. Выбор материалов продолжает расширяться.

Вопрос: EBM производит пористые или полностью плотные детали?

О: EBM производит более 99% плотных металлических компонентов, используя частично предварительно спеченные порошки. Плотность превышает плотность литых и кованых металлов.

В: Насколько точен EBM по сравнению с другими процессами AM-обработки металлов?

О: Точность размеров достигает ±0,2 мм с допусками, конкурентоспособными по сравнению с другими технологиями порошкового слоя, точность повышается с опытом.

В: В каких отраслях используется EBM-производство?

О: Аэрокосмическая, медицинская, автомобильная, промышленная, инструментальная, оборонная, робототехническая, энергетическая отрасли используют EBM для производства компонентов конечного использования.

Вопрос: Какова стоимость одной детали при аддитивном производстве EBM?

О: Стоимость деталей варьируется от $100 до $10 000+ в зависимости от размера, сложности геометрии, скорости сборки, объемов материалов, потребностей в постобработке и т.д.

В: Какие поставщики услуг предлагают аддитивное производство EBM?

A: RapidDirect, 3D Systems, Carpenter Additive, Alloyed, Sigma Labs, Velo3D, Barnes Aerospace, Burloak Technologies, Morf3D.

узнать больше о процессах 3D-печати