Электронно-лучевое аддитивное производство

Электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM) - это процесс металлической 3D-печати, в котором для сплавления материалов используется источник энергии электронного луча. В данном руководстве рассматриваются системы EBAM, процессы, материалы, области применения, преимущества и соображения, связанные с внедрением этой технологии.

Введение в электронно-лучевое аддитивное производство

Электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM) - это тип металлической 3D-печати, в котором в качестве источника энергии используется мощный электронный луч для послойного сплавления металлического сырья в полностью плотные детали непосредственно на основе данных CAD.

Ключевые атрибуты технологии EBAM:

• Для расплавления материалов используется электронно-лучевой источник энергии
• Изготовление деталей путем послойного добавления металлического порошка
• Создание деталей практически сетчатой формы с высокой плотностью
• Типичными материалами являются титан, никелевые сплавы, сталь
• Большие объемы сборки по сравнению с другими процессами металлической AM
• Высокая скорость осаждения для ускорения процесса сборки
• Средняя точность детали ±0,3 мм
• Низкие остаточные напряжения по сравнению с лазерными процессами
• Идеально подходит для обработки крупных сложных металлических деталей
• Сокращение отходов по сравнению с субтрактивными методами

EBAM позволяет создавать инновационные конструкции, невозможные при традиционном производстве. Однако, как и при любом другом аддитивном процессе, существуют свои особенности проектирования и применения.

Как Электронно-лучевое аддитивное производство Работает

Процесс EBAM состоит из:

1. Нанесение и выравнивание тонкого слоя металлического порошка
2. Сканирующий электронный луч для селективного расплавления участков
3. Опускание плиты и повторное нанесение слоя/плавления
4. Извлечение готовых деталей из порошкового слоя
5. Постобработка при необходимости

Электронно-лучевая пушка генерирует сфокусированный луч в условиях вакуума. Мощность, скорость, форма и другие параметры пучка точно контролируются для плавления материала.

Для систем EBAM необходимы вакуумная камера, система обработки порошка, электронная пушка, система управления и другие подсистемы.

Производители оборудования EBAM

В число ведущих мировых поставщиков промышленных систем EBAM входят:

Производитель	Модель	Размер конструкции	Материалы	Диапазон цен
GE Additive	Arcam EBM Spectra H	1000 x 600 x 500 мм	Ti, Ni, CoCr, Al, Cu, стали	$1.5M - $2M
Sciaky	ЭБАМ 300	1830 x 1220 x 910 мм	Ti, Inconel, нержавеющие	$1.5M - $3M
Velo3D	Сапфир	680 x 380 x 380 мм	Ti, Inconel	1ТП4Т1М - 1ТП4Т2М
Наноразмеры	DragonFly LDM	330 x 330 x 330 мм	Медь	$0.5M - $1M

Выбор системы зависит от производственных потребностей, материалов, требований к точности и бюджета. Сотрудничество с опытным поставщиком услуг является альтернативой прямой закупке оборудования.

Характеристики процесса EBAM

EBAM включает в себя сложные тепловые, механические и материальные взаимодействия. Основные характеристики процесса включают:

Электронный луч - Мощность, диаметр луча, ток, скорость сканирования, фокусировка

Порошок - Материал, форма, распределение по размерам, толщина слоя

Вакуум - Необходимые уровни давления, примеси газа

Температура - Предварительный нагрев, динамика расплава, скорость охлаждения

Метаданные - Сборная плита, грабельная система, экранирование

Стратегия сканирования - Узоры в бассейне расплава, колебания балки

Постобработка - Термическая обработка, HIP, механическая обработка, финишная обработка

Понимание взаимосвязей между параметрами является критически важным для получения высококачественных деталей EBAM.

Рекомендации по проектированию EBAM

Надлежащая практика проектирования деталей EBAM включает в себя:

• Проектирование с учетом принципов аддитивного производства
• Использование тонких стенок и решетчатых конструкций для снижения веса
• Минимизация безопорных выступов, требующих установки опор
• Ориентируйте детали, чтобы избежать напряжений, приводящих к короблению
• Учет эффекта термической усадки в характеристиках
• Геометрия конструкции облегчает удаление порошка
• Проектирование поверхностей с учетом их функциональности, а не внешнего вида
• Соответствие минимальной толщине стенки и размеру элемента
• Возможность постобработки запасов на поверхностях
• Моделирование сборки и тепловых эффектов для сложных деталей
• Разработка крепежа и интерфейсов для удаления порошкового слоя

Средства имитации и моделирования помогают прогнозировать остаточные напряжения и деформации.

Материалы EBAM

С помощью этой системы можно обрабатывать различные металлы электронно-лучевое аддитивное производство:

Категория	Распространенные сплавы
Титан	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, коммерчески чистый титан
Никелевые суперсплавы	Inconel 718, Inconel 625, Haynes 282
Нержавеющие стали	304, 316, 17-4PH, 15-5PH
Инструментальные стали	H13, мартенситностареющие стали
Алюминий	AlSi10Mg, Scalmalloy
Драгоценные металлы	Золото, Платина
Медь	CuCrZr, Cu, медно-никелевые сплавы
Кобальтовый хром	CoCrMo, стеллит

Свойства материала в значительной степени зависят от параметров процесса EBAM и последующей обработки.

Основные области применения EBAM

EBAM позволяет повысить производительность в различных отраслях:

Промышленность	Типовые применения EBAM
Аэрокосмическая промышленность	Конструкции летательных аппаратов, турбины, пусковая аппаратура
Производство электроэнергии	Компоненты тракта горячего газа, корпуса
Нефть и газ	Клапаны, насосы, компрессоры, оснастка
Автомобильная промышленность	Облегчение деталей, теплообменников
Медицина	Ортопедические имплантаты, хирургические инструменты
Морской	Рабочие колеса, пропеллеры, сложные отливки
Химическая	Теплообменники, мешалки, сосуды под давлением

Преимущества по сравнению с традиционным производством включают:

• Сокращение отходов благодаря соотношению закупок и полетов 1:1
• Сокращение времени выполнения заказа за счет цифрового процесса
• Объединение узлов в отдельные детали
• Нестандартные геометрические формы, непригодные для механической обработки
• Повышение производительности сложных структур
• Масштабируемые объемы производства после прохождения квалификации

EBAM создает возможности для разработки продуктов нового поколения, которые невозможно реализовать другими способами.

Плюсы и минусы EBAM

Преимущества:

• Большие сложные металлические детали в одном изделии
• Прочные и легкие детали из решетчатых конструкций
• Отказ от использования дорогостоящих штампов и оснастки
• Сокращение отходов материалов по сравнению с субтрактивными методами
• Относительно высокая скорость сборки по сравнению с другими процессами AM
• Экономическая эффективность при средних объемах производства 100-10 000 единиц
• Постоянная металлургия за счет быстрого затвердевания
• Объединение узлов в отдельные детали
• Производство по заказу и индивидуальные проекты
• Свобода геометрии за пределами ограничений на обработку

Ограничения:

• Более высокая стоимость оборудования, чем при полимерной 3D-печати.
• Ограничение на использование материалов, совместимых с вакуумом
• Более низкая точность и качество поверхности по сравнению с механической обработкой
• Для достижения нужных свойств часто требуется постобработка
• Производство порошкового лома, требующего вторичной переработки
• Необходима разработка и испытания процессов
• Требования к оборудованию для обеспечения высокой мощности
• Термические напряжения могут привести к деформации детали
• Ограничения по свесам и минимальным характеристикам
• Ограничения по размерам, связанные с ограждающими конструкциями камеры

Если EBAM соответствует требованиям приложения, она позволяет улучшить продукцию с высокой добавленной стоимостью.

Внедрение технологии EBAM

Основные соображения при внедрении EBAM включают:

• Определение приложений, в которых возможности EBAM обеспечивают преимущества
• Бюджетирование значительных капитальных вложений в систему EBAM
• Разработка строгих квалификационных протоколов и стандартов
• Понимание нормативных требований к конечным приложениям
• Привлечение персонала с опытом работы с порошковыми кроватями или партнерство с поставщиками услуг
• Предоставление времени и ресурсов для проведения испытаний и оптимизации процессов
• Внедрение процедур обращения с порошками и вентиляции
• Обеспечение соответствующей инфраструктуры и энергетических возможностей
• Бюджетирование вторичной обработки, например, термообработки
• Проведение механических испытаний для подтверждения свойств

Для начальных испытаний лучше всего подходят менее критичные и менее рискованные приложения.

Экономия затрат при использовании EBAM

Бизнес-обоснование для EBAM зависит от:

• Высокая стоимость оборудования - от $1 млн. до $3 млн.
• Труд для разработки и производства технологических процессов
• Стоимость исходных металлических порошковых материалов
• Операции вторичной отделки
• Оборудование, инфраструктура для обработки порошковых материалов
• Сокращение отходов по сравнению с субтрактивными процессами
• Консолидация узлов в отдельные детали
• Более короткие сроки разработки по сравнению с традиционными методами
• Становится экономичным при объемах около 100-10 000 деталей
• Наибольшая экономия при создании сложных геометрических форм, увеличивающих стоимость

Производители должны перевесить более высокую стоимость АМ-оборудования за счет производственных преимуществ.

Сравнение EBAM с другими процессами

Процесс	Сравнение с EBAM
Обработка с ЧПУ	EBAM позволяет создавать сложные геометрические формы, недоступные для обработки субтрактивным методом. Не требуется жесткая оснастка.
Литье металлов под давлением	EBAM исключает высокие затраты на оснастку. Лучшие свойства материалов по сравнению с MIM.
Литье под давлением	EBAM имеет более низкие затраты на оснастку. Нет ограничений по размерам. Возможны очень сложные геометрические формы.
Ламинирование листов	EBAM создает полностью плотный изотропный материал по сравнению со слоистыми композитами.
Струйная обработка вяжущего	EBAM позволяет получить полностью плотные готовые детали по сравнению с зелеными деталями, наносимыми струей пористого связующего.
SLM	SLM имеет более тонкое разрешение, а EBAM - более высокую скорость сборки. Оба способа позволяют создавать плотные металлические детали.

Каждый процесс обладает определенными преимуществами в зависимости от области применения, размера партии, требований к точности и производительности.

Перспективы развития EBAM

Будущее за расширенным внедрением EBAM, обусловленным:

• Более широкий спектр сплавов производственного назначения
• Увеличенная площадь сборки позволяет изготавливать более крупные детали
• Более высокая скорость сборки для увеличения производительности
• Повышение качества отделки и точности размеров
• Снижение затрат по мере развития технологии
• Дальнейшая автоматизация предварительной и последующей обработки
• Гибридные системы, интегрирующие механическую обработку
• Усовершенствованные системы внутрипроизводственного контроля
• Квалификация для таких требовательных отраслей промышленности, как аэрокосмическая
• Оптимизация проектирования с использованием возможностей EBAM

По мере развития технологии EBAM будет трансформировать производство во все более широком спектре отраслей.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какие материалы используются в EBAM?

Возможна обработка титана, никелевых сплавов, инструментальных и нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов, а также драгоценных металлов.

Какова точность и качество обработки деталей EBAM?

Типичная точность размеров составляет ±0,3 мм, а шероховатость поверхности - 25-125 мкм Ra.

Какая постобработка используется для деталей EBAM?

Может применяться термообработка, HIP и механическая обработка. Также часто используется плазменное напыление.

Какие размеры деталей может производить EBAM?

Обычные объемы сборки составляют от 500 х 500 х 500 мм до 2 х 1 х 1 м для крупных систем.

В чем преимущества перед субтрактивными методами?

EBAM позволяет создавать детали практически чистой формы с уменьшенным количеством отходов и объединять сборки в отдельные сложные компоненты.

В каких отраслях промышленности используется EBAM?

Аэрокосмическая, энергетическая, автомобильная, нефтегазовая и медицинская отрасли являются ранними последователями EBAM.

Какие знания необходимы для работы с оборудованием EBAM?

Требуются квалифицированные специалисты, имеющие опыт работы с порошковым слоем, металлургией и последующей обработкой.

Какие меры предосторожности необходимы?

Вентиляция, контрольно-измерительные приборы, средства защиты персонала и безопасное обращение с порошком имеют решающее значение.

Какова стоимость по сравнению с традиционным производством?

EBAM становится экономически эффективным при среднесерийном производстве от 100 до 10 тыс. изделий для сложных конструкций.

Можете ли Вы кратко объяснить процесс EBAM?

В системе EBAM металлический порошок наносится слоями, которые электронный луч выборочно послойно расплавляет, основываясь на данных CAD-системы для создания детали.

узнать больше о процессах 3D-печати