Электронно-лучевая плавка 3d принтер

Обзор Электронно-лучевая плавка 3d-принтера

Электронно-лучевая плавка 3d принтер это технология аддитивного производства, обычно используемая для 3D-печати металлических деталей. Электронный луч избирательно плавит металлический порошок слой за слоем на основе CAD-модели для создания сложных геометрических форм, не имеющих аналогов в традиционном производстве.

3D-принтеры EBM предлагают такие преимущества, как свобода проектирования, массовая кастомизация, уменьшение количества отходов и облегчение веса. Основные области применения - аэрокосмическая, медицинская, стоматологическая и автомобильная промышленность. Материалы, напечатанные на системах EBM, включают титан, никелевые сплавы, нержавеющую сталь, алюминий и кобальт-хром.

Типы 3D-принтеров EBM

Принтер	Производитель	Строительный объем	Толщина слоя	Мощность луча
Arcam EBM Spectra H	GE Additive	275 x 275 x 380 мм	50 мкм	3 кВт
Arcam Q10plus	GE Additive	ø350 x 380 мм	50 мкм	3 кВт
Arcam Q20plus	GE Additive	ø350 x 380 мм	50 мкм	6 кВт
Sciaky EBAM 300	Sciaky Inc.	1500 x 750 x 750 мм	150 мкм	30-60 кВт

Процесс печати EBM

Процесс печати EBM происходит следующим образом:

1. Металлический порошок равномерно распределяется по рабочей пластине с помощью ракельного механизма
2. Электронный луч избирательно нагревает металлический порошок до температуры около 80% температуры плавления, спекая частицы вместе.
3. Электронный луч совершает второй проход, быстро расплавляя материал в соответствии с геометрией слоя.
4. Плита опускается, и на область построения наносится еще один слой порошка
5. Шаги 2-4 повторяются до тех пор, пока вся деталь не будет собрана из слоев расплавленного металла

Аппаратные компоненты принтера EBM

Принтеры EBM содержат следующие основные аппаратные компоненты, обеспечивающие процесс печати:

• Электронная пушка: Генерирует сфокусированный электронный луч для выборочного расплавления металлического порошка в соответствии с данными CAD, введенными в принтер. Электроны испускаются из катода с вольфрамовой нитью и ускоряются до высокой кинетической энергии. Электромагниты фокусируют и отклоняют луч.
• Обработка порошка: В бункерах для порошка хранится сырье, которое ссыпается на печатную форму перед каждым слоем печати. Пересыпанный порошок собирается и просеивается для повторного использования.
• Постройте танк: Герметичная камера, в которой происходит плавление слоев при высокой температуре в вакууме. Такие элементы, как нагревательные элементы и тепловые экраны, поддерживают температуру до 1000°C в зоне сборки.
• Система управления: Позволяет управлять такими рабочими параметрами, как скорость, мощность луча, шаблоны сканирования и температура, через программное обеспечение интерфейса принтера. Также облегчает загрузку моделей CAD.

Печатные материалы EBM

Материал	Тип	Характеристики	Приложения	Поставщики	Цена
Титановые сплавы	Ti-6Al-4V (марка 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial)	Отличное соотношение прочности и веса, биосовместимость, коррозионная стойкость	Аэрокосмические компоненты, медицинские имплантаты и устройства	AP&C, Carpenter Technology	$350-$500 за кг
Никелевые сплавы	Инконель 718, Инконель 625, Инконель 939	Высокая температурная прочность, устойчивость к коррозии и окислению	Запчасти для аэрокосмических двигателей, энергетическое оборудование	Sandvik	$500-$800 за кг
Нержавеющие стали	316L, 17-4PH, 15-5PH, дуплекс	Высокая твердость и износостойкость	Пищевые/медицинские приборы, инструменты, автомобильная промышленность	Sandvik, LPW Technology	$90-$350 за кг
Кобальтовый хром	CoCrMo	Отличная усталостная прочность и износостойкость	Зубные коронки и мосты, медицинские имплантаты	Решения SLM	$270-$520 за кг
Алюминий	AlSi10Mg	Низкая плотность, хорошая теплопроводность	Аэрокосмические кронштейны, автомобильные детали	AP&C	$95-$150 за кг

Преимущества 3D-печати EBM

Параметр	Выгода
Свобода дизайна	Сложные геометрические формы, такие как решетки, внутренние каналы, поддаются печати
Быстрое прототипирование	Итерации создаются за несколько дней по сравнению с неделями при использовании традиционных методов
Массовая персонализация	Один и тот же принтер может изготавливать различные персонализированные детали
Высокая плотность	Около 100% плотного металла с механическими характеристиками, приближающимися к традиционному производству
Минимальная обработка	Уменьшение количества отделочных работ, так как качество печати достаточно хорошее
Сокращение отходов	Использование только необходимого количества материала по сравнению с субтрактивными процессами
Неизменное качество	Полностью автоматизированный процесс обеспечивает повторяемость сборки
Преимущества стоимости	Экономия на масштабе за счет консолидации оснастки, сборки, логистики путем объединения деталей

Ограничения печати EBM

Недостаток	Описание
Ограничения геометрии	Опорные углы ограничены свесами 60°, минимальная толщина стенок 0,3-0,4 мм
Удаление порошка	Внутренние каналы или объемы, не подвергающиеся воздействию наружного воздуха, могут задерживать порошок
Окклюзии луча	Некоторые вогнутые области или глубокие внутренние элементы могут быть недоступны для электронного луча
Термические напряжения	Быстрое нагревание/охлаждение во время обработки может привести к растрескиванию из-за тепловых градиентов
Постобработка	Для получения более гладких поверхностей или более жестких допусков все еще необходимы некоторые операции вторичной отделки
Ограничения по размеру сборки	Компоненты, размеры которых превышают размеры конверта принтера, не могут быть напечатаны
Высокая стоимость оборудования	Принтеры $500,000+, ограничивают использование небольшими фирмами и индивидуальными пользователями

Распределение затрат

Ниже приведено сравнение стоимости изготовления 10-кобальтовых хромированных зубных корон на принтере Arcam EBM:

Расходы	Итого ($)	За единицу ($)
Амортизация принтера	$2,000	$200
Материал (порошок CoCrMo)	$1,500	$150
Труд	$100	$10
Всего	$3,600	$360

В отличие от этого, изготовление восковой модели + литье по выплавляемым моделям для 10 изделий обойдется в $600 за единицу - таким образом, EBM предлагает значительное снижение стоимости единицы продукции, особенно при больших объемах.

Электронно-лучевая плавка 3d принтер Поставщики

Среди ведущих производителей оборудования для EBM-принтеров и поставщиков металлических порошковых материалов можно назвать следующих:

Компания	Расположение штаб-квартиры	Предлагаемые модели принтеров	Поддерживаемые материалы
Присадки GE	Канада	Arcam EBM Spectra, серия Q	Ti-6-4, Inconel, CoCr и др.
Sciaky Inc.	Соединенные Штаты	Серия EBAM 300	Титановые сплавы, стали, алюминий
Решения SLM	Германия	Н/Д	CoCr, нержавеющая сталь, многое другое
Технология столярных работ	Соединенные Штаты	Н/Д	Ti-6-4, сплавы Inconel, нержавеющие стали
Технология LPW	Великобритания	Н/Д	Никелевые сплавы, порошки алюминиевых сплавов
Sandvik	Швеция	Н/Д	Металлические порошки Osprey® для EBM

Средняя стоимость системы составляет от $500 000 до $1 млн, включая вспомогательное оборудование, например, станции удаления порошка. Материалы варьируются от $100 за кг для алюминия до $800 за кг для специальных никелевых суперсплавов.

Электронно-лучевая плавка 3d принтер Стандарты и сертификаты

Ключевые стандарты, связанные с качеством, спецификациями и контролем процесса для систем электронно-лучевой плавки, включают в себя:

Стандарт	Описание
ISO 17296-2	Аддитивное производство металлов - процесс, материалы и геометрия
ASTM F2971	Стандартная практика производства металлических деталей методом EBM
ASTM F3184	Стандарт для квалификации оборудования EBM
ASME BPVC Sec II-C	Определяет утвержденные спецификации материалов EBM

Оборудование EBM и система качества производителя могут быть сертифицированы по стандарту ISO 9001. Для аэрокосмических применений применяются дополнительные спецификации, например AS9100D.

Электронно-лучевое плавление по сравнению с другими видами AM металлов

Параметр	Электронно-лучевая плавка	Лазерная наплавка порошкового слоя	Направленное энергетическое осаждение
Источник тепла	Ускоренный электронный луч	Волоконный лазер Yb высокой мощности	Сфокусированный лазер или электронный луч
Атмосфера	Вакуум	Инертный газ	Воздух или инертный газ
Метод сканирования	Растрирование сфокусированного пятна	Растеризация сфокусированного лазерного пятна	Растрирование или одиночное пятно
Скорость осаждения	4-8 см$^3$/час	4-20 см$^3$/час	10-100 см$^3$/час
Точность	± 0,1-0,3 мм или ± 0,002 мм/мм	До ±0,025 мм или ±0,002 мм/мм	> 0,5 мм
Отделка поверхности	15 мкм Ra, 50 мкм Rz	Шероховатость до 15 мкм	Шероховатость > 25 мкм
Стоимость одной детали	Средний	Средний	Самый низкий

Применение Электронно-лучевая плавка 3d принтер

Благодаря своей способности создавать сложные геометрические формы из различных высокоэффективных металлов, электронно-лучевая плавка находит применение в таких отраслях, как:

Аэрокосмическая промышленность: Облегчение аэрокосмических компонентов, таких как кронштейны и стойки из титановых и никелевых сплавов, позволяет повысить топливную эффективность. EBM также позволяет объединить каналы для подачи жидкости и элементы крепления в отдельные детали.

Медицина и стоматология: Кобальт-хромовые и титановые имплантаты с пористой поверхностью, способствующей остеоинтеграции, могут быть адаптированы к анатомии пациента с помощью EBM. Значительная индивидуализация и сокращение отходов по сравнению с традиционными стандартными размерами и формами имплантатов.

Автомобили: Облегченные детали, такие как алюминиевые или титановые клапанные крышки и тормозные суппорты, снижают вес автомобиля, что позволяет улучшить топливную экономичность. Короткие партии турбокомпрессоров, оптимизированных для гонок, также экономически выгодны.

Оснастка: Конформные каналы охлаждения могут быть встроены в оснастку для литья под давлением для ускорения времени цикла. Быстрое выполнение 10-20 итераций компоновки каналов охлаждения возможно при использовании EBM по сравнению с неделями при использовании традиционных методов.

Вопросы и ответы

Вопрос	Отвечать
Как сравнивается точность деталей при использовании EBM и традиционных производственных процессов?	Точность размеров и допуски до ±0,1 мм возможны для EBM, что сопоставимо с предельными значениями для литья и ковки. При необходимости обработка с ЧПУ позволяет достичь более жестких допусков ±0,01 мм.
Требуется ли последующая обработка грубой поверхности, полученной в результате печати EBM?	Да, эффект слоистой лестницы обычно вызывает шероховатость 10-15 мкм. При необходимости галтовка, полировка, дробеструйная обработка или механическая обработка дают более гладкую поверхность до 0,5 мкм.
Можно ли использовать для EBM любой металлический сплав или определенные составы не подходят?	Сплавы, склонные к растрескиванию в твердом состоянии под действием термических напряжений, могут оказаться сложными - следует избегать очень высоких коэффициентов расширения, превышающих 15 мкм/(м ̊C).
В чем заключается основной компромисс между лазерным и электронно-лучевым процессами порошковой плавки?	Лазеры обеспечивают более высокую скорость наращивания - до 100 см$^3$/час, но максимальная мощность луча ограничена 1 кВт. Более мощные электронные лучи мощностью 8-60 кВт обеспечивают более глубокое проникновение в плотные металлы с более высокой энергоэффективностью.

Резюме

Электронно-лучевое плавление использует концентрированный мощный пучок электронов в вакууме для выборочного послойного сплавления частиц металлического порошка до образования полностью плотных деталей. 3D-принтеры EBM создают очень сложные геометрии, не сравнимые ни с одной другой технологией, что делает возможным изготовление деталей на заказ, облегчение и объединение деталей в различных отраслях промышленности - от медицинского оборудования до аэрокосмических компонентов. Хотя максимальные объемы печати ограничены по сравнению с другими технологиями аддитивной обработки металлов или традиционными технологиями, электронно-лучевое плавление открывает новые возможности проектирования и гибкие производственные подходы, которые ранее не были возможны.

узнать больше о процессах 3D-печати