Электронно-лучевое производство

Электронно-лучевое производство относится к процессу аддитивного производства, в котором используется сфокусированный пучок высокоэнергетических электронов для выборочного послойного расплавления и сплавления частиц металлического порошка с целью непосредственного изготовления сложных трехмерных компонентов.

Этот процесс, известный также как электронно-лучевое плавление (ЭЛП) или электронно-лучевое наплавление порошка, обеспечивает такие возможности, как скорость сборки, свойства материала, качество поверхности и геометрическая свобода, не имеющие аналогов в традиционных технологиях изготовления.

В данном руководстве представлен обзор электронно-лучевого производства, охватывающий технологические возможности, материалы, области применения, поставщиков систем, сравнение компромиссов и часто задаваемые вопросы при рассмотрении возможности внедрения.

Обзор процесса производства электронных пучков

• Металлический порошок равномерно распределяется по рабочей пластине
• Электронный луч сканирует определенные траектории, расплавляя порошок
• Плита опускается, сверху наносится новый слой
• Предварительный термический подогрев поддерживает температуру процесса
• Камера находится под вакуумом во время сборки
• Поддерживает структуру там, где это необходимо
• Вырезание и доводка окончательных деталей по мере необходимости

Электронные пучки обеспечивают более быстрое и глубокое проникновение в проводящие материалы, чем лазеры, что позволяет повысить скорость сборки при меньшем остаточном напряжении.

Материалы, используемые в электронно-лучевом производстве

Перерабатывается широкий спектр сплавов, каждый из которых оптимизирован по химическому составу и гранулометрическому составу:

Материал	Распространенные сплавы	Обзор
Титановый сплав	Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI	Смеси аэрокосмического класса с высокой прочностью и малым весом
Никелевый сплав	Инконель 718, 625, Haynes 282	Жаро/коррозионностойкие суперсплавы для турбин
Кобальтовый хром	CoCrMo	Биосовместимый износостойкий сплав для имплантатов
Нержавеющая сталь	17-4PH, 316L, 304L	Высокая прочность и коррозионная стойкость
Инструментальная сталь	H13, мартенситно-стареющая сталь	Исключительная твердость/износостойкость
Алюминиевый сплав	Scalmalloy	Быстрые скорости затвердевания по ширине

Такие преимущества, как контроль структуры зерна и дефектов, способствуют повышению механических свойств.

Характеристики и допуски

В дополнение к индивидуальным свойствам сплавов ключевые технологические возможности включают:

Атрибут	Описание
Обработка поверхности	Шероховатость до 5 мкм, достаточно гладкая для окончательного использования в зависимости от геометрии, не требует доводки
Разрешение характеристик	Тонкая детализация до ~100 мкм, поддерживаемая параметрами процесса
Точность	± 0,2% с отклонением 50 мкм при размерах детали 100 мм
Плотность	Более 99,8% от теоретического максимума, самый высокий показатель среди методов металлической АМ
Размер конструкции	Возможна поставка компонентов длиной более 1000 мм, в зависимости от модели системы
Прототипирование	Возможность изготовления как единичных, так и небольших партий, идеально подходит для изготовления инженерных моделей, требующих применения металлов
Производство	Аэрокосмическая и медицинская промышленность начинают сертифицировать процесс для производства деталей конечного потребления

Консистенция и качество позволяют применять их в условиях повышенного спроса.

Электронно-лучевое производство Приложения

Промышленность	Используется	Примеры компонентов
Аэрокосмическая промышленность	Конструктивные элементы, детали двигателей	Лопатки турбин, рамы, крепления
Медицина	Ортопедические имплантаты, хирургические инструменты	Тазобедренные, коленные, черепные имплантаты, фиксаторы
Автомобильная промышленность	Облегченные компоненты	Турбинные колеса, коллекторы
Промышленность	Производство металлов конечного потребления	Легкие манипуляторы роботов, детали для работы с жидкостями

Дополнительные специальные применения позволяют использовать синергию дизайна, материалов и характеристик.

Производители систем и ценообразование

Производитель	Описание	Диапазон базовых цен
Arcam (GE)	Пионеры с различными моделями систем EBM	$1.5M - $2M
Velo3D	Передовые системы обещают более тонкие детали и более высокие конструкции	$$$$
Jeol	Ориентированность на исследования и мелкосерийное производство	$$$

Эксплуатационные расходы на материалы, аргон, электроэнергию могут составлять от $100-$1000+ в день в зависимости от конструкции.

Компромиссы между электронным пучком и другими процессами

Плюсы:

• Более высокая скорость сборки по сравнению с лазерной плавкой в порошковом слое
• Более низкое остаточное напряжение по сравнению с лазерными методами
• Исключительная точность и качество обработки поверхности
• Высокочистое исходное сырье для определения свойств
• Высокий потенциал будущих объемов производства

Конс:

• Все еще находится в стадии становления по сравнению с другими технологиями порошкового слоя
• Возможности по размерам не такие большие, как у лазерных методов
• Доступность материалов продолжает расширяться
• Более высокая стоимость владения оборудованием
• Ограничения по геометрии, требующей поддержки

Для правильных применений - беспрецедентный потенциал производительности.

Вопросы и ответы

Чем определяется максимальный размер детали?

Максимальная площадь сканирования модели системы, ограничения на стратегию сканирования, тепловые нагрузки, ограничения на растекаемость порошка и количество компонентов определяют размерные возможности до ~800 мм.

Как процесс влияет на свойства материала?

Быстрые скорости охлаждения при контролируемых тепловых профилях формируют тонкие микроструктуры, повышающие прочность. Параметры сбалансированы по остаточным напряжениям.

Чем определяется возможность обработки поверхности?

Размер пятна, мощность пучка, стратегия сканирования, последующая толщина слоя порошка, загрязнение частицами и влияние теплового градиента позволяют добиться исключительного качества поверхности при изготовлении.

Какие меры предосторожности необходимы?

В дополнение к средствам защиты при работе с порошком, электронно-лучевые установки требуют сертифицированных помещений с экранированием клеткой Фарадея, защитными блокировками, расчетом времени экспозиции максимального количества людей.

Каковы типичные этапы постобработки?

Для отделки деталей обычно используются такие процессы, как горячее изостатическое прессование для уменьшения пористости, термообработка для повышения механических характеристик и субтрактивная механическая обработка.

узнать больше о процессах 3D-печати