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:

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:

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

Основные области применения EBAM

EBAM позволяет повысить производительность в различных отраслях:

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

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