электронно-лучевая плавка 3D-печать

Обзор

3D-печать с электронно-лучевым плавлением — это технология аддитивного производства, которая использует электронный луч в качестве источника энергии для избирательного плавления и плавления частиц металлического порошка слой за слоем для изготовления сложных 3D-деталей.

По сравнению с другими методами 3D-печати металлами, EBM предлагает явные преимущества, такие как превосходные механические свойства, высокая скорость печати, преимущества вакуумной обработки и пригодность для реактивных материалов. Однако высокая стоимость оборудования и ограниченный выбор материалов ограничивают использование EBM требовательными приложениями в аэрокосмической, медицинской и автомобильной отраслях.

В этом подробном руководстве описаны технологии EBM, процессы, материалы, области применения, производители систем, затраты, преимущества/ограничения и другие часто задаваемые вопросы, чтобы помочь производителям оценить, является ли EBM подходящим решением для обработки металла для их нужд.

Как Электронно-лучевая плавка 3D-печать Работает

Печать EBM включает в себя следующие ключевые этапы:

Подготовка 3D-модели

• CAD-модель, оптимизированная для EBM – толщина стенок, опоры, ориентация и т. д.

Преобразование файла в .STL

• Геометрия САПР, преобразованная в треугольные грани. Файл .STL.

Настройка машины

• Ввод параметров сборки – скорость, мощность, смещение фокуса и т. д.
• Загруженный материал, параметры корректируются в зависимости от свойств порошка

Сгребание порошка

• Порошок равномерно распределяется по рабочей платформе контролируемыми слоями.

Электронно-лучевая плавка

• Сфокусированный электронный луч избирательно плавит порошок для создания каждого слоя.
• Вакуумная среда предотвращает окисление

Опускание платформы

• После расплавления слоя платформа индексируется вниз по толщине слоя.
• Свежий слой порошка распределяется поверх предыдущего слоя.

Снятие с машины

• Излишки порошка удалены со сборных деталей.
• Опорные конструкции отсоединены
• При необходимости производится постобработка.

Поэтапный процесс построения позволяет создавать сложные, оптимизированные геометрические формы с превосходными свойствами.

Материалы для 3D-печати EBM

EBM совместим с рядом металлических сплавов:

Материал	Основные свойства	Приложения
Титановые сплавы	Высокая прочность, малый вес	Аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты
Никелевые суперсплавы	Термостойкость и коррозионная стойкость	Лопатки турбин, сопла ракет
Кобальт-хром	Биосовместимость, высокая твердость.	Зубные имплантаты, медицинское оборудование
Инструментальные стали	Отличная износостойкость	Режущие инструменты, формы, штампы
Нержавеющие стали	Коррозионная стойкость, высокая пластичность	Насосы, клапаны, сосуды

Можно печатать как стандартные, так и специальные сплавы, оптимизированные для EBM. Для новых материалов требуется настройка параметров для достижения желаемых свойств.

Поставщики EBM-машин

К основным производителям EBM-оборудования относятся:

Поставщик	Ключевые модели машин	Построить оболочку
Arcam EBM (добавка GE)	Arcam A2X, Q10plus, Спектра H, Спектра L	254 х 254 х 380 мм
Velo3D	Сапфир	250 х 250 х 300 мм
Райчем	ЭБАМ 300	300 х 300 х 300 мм
Sciaky	ЭБАМ 110	1100 х 1100 х 900 мм
JEOL	ДЖЕМ-ARM300F	300 х 300 х 300 мм

Arcam EBM стала пионером в области коммерческих систем EBM. Другие поставщики появились совсем недавно, расширив возможности материалов и размеров.

Технические характеристики

Типичные характеристики системы EBM:

Параметр	Спецификация
Мощность луча	До 12 кВт
Ускоряющее напряжение	60 кВ
Ток луча	До 40 мА
Размер балки	минимум 200 мкм
Скорость сканирования	До 8000 м/с
Смещение фокуса	Автоматический, регулируемый 0-5 мм
Вакуум	5 х 10-4 мбар
Толщина слоя	50-200 мкм
Максимальный размер сборки	1100 х 1100 х 900 мм
Повторяемость	± 0,2% высоты сборки

Более высокая мощность и более точная фокусировка обеспечивают более четкие зоны расплава и лучшее разрешение объектов. Конверты большего размера облегчают серийное производство.

Принципы проектирования EBM

Ключевые принципы проектирования деталей EBM:

• Минимизируйте неподдерживаемые поверхности, чтобы предотвратить искажения.
• Используйте самонесущие углы выше 45°, чтобы избежать опор.
• Спроектировать внутренние каналы для удаления нерасплавленного порошка
• Учитывайте усадку ~20% по сравнению с окончательными размерами детали.
• Включите текстурирование для улучшения потока порошка в сложных областях.
• Расположение деталей для равномерного нагрева и эффективной упаковки
• Проектируйте конструкции, позволяющие минимизировать захваченный порошок
• Держите свесы выше 30°, чтобы предотвратить капание.
• При необходимости используйте конформные решетчатые опоры.

Свобода проектирования EBM позволяет объединять сборки в оптимизированные, легкие монолитные детали.

Приложения EBM

EBM идеально подходит для:

Аэрокосмическая и автомобильная промышленность:

• Лопатки турбин, топливные форсунки, каркасы конструкций, сложные корпуса

Медицина:

• Ортопедические имплантаты, протезы, хирургические инструменты, требующие биосовместимости.

Промышленность:

• Легкие компоненты робототехники, детали, работающие с жидкостями, подверженные коррозии.

Защита:

• Прочные, изготовленные по индивидуальному заказу компоненты, такие как каналы охлаждения и крепления.

НИОКР:

• Новые сплавы, композиты с металлической матрицей и решетчатые структуры.

Сочетание свободы проектирования, инженерных свойств и экономики производства EBM делает его предпочтительным процессом для критически важных приложений.

Анализ затрат

Стоимость системы EBM и производства деталей зависит от:

Покупка машины

• ~$800 000 для средних производственных машин
• Многомиллионные инвестиции в большие системы

Стоимость материала

• Порошок может варьироваться от $100-500/кг.
• Некоторые сплавы, такие как Ti64, требуют более высокой цены.

Стоимость операции

• Средняя стоимость машины ~$50-150/час
• Работа по предварительной/постобработке

Размер детали

• Более крупные детали требуют больше материала и времени на сборку.
• Мелкие детали можно вкладывать друг в друга для повышения эффективности.

Постобработка

• Термическая обработка, ЧПУ, финишная обработка увеличивают затраты.

Общая стоимость за деталь

• Мелкие детали ~ $20-$50 на кубический дюйм
• Крупные детали ~$5-$15 на кубический дюйм

Более высокая степень использования за счет серийного производства и раскроя снижает стоимость детали.

Управление процессами и оптимизация

Критические параметры процесса, подлежащие контролю:

• Мощность – Влияет на размер ванны расплава, проникновение, скорость наращивания
• Скорость – Разрешение ударов, качество поверхности, форма отложений
• Смещение фокуса – Контролирует форму луча, проникновение, дефекты
• Толщина слоя – Определяет разрешение оси Z, время сборки
• Расстояние между люками – Отрегулируйте для достижения необходимой плотности, предотвращения комкования
• Стратегия сканирования – Однонаправленные, островные, контурные рисунки влияют на остаточные напряжения и искажения.
• Разогреть – Улучшает спекание порошка, уменьшает растрескивание и коробление

План экспериментов в сочетании с исследованиями ванны расплава и определением микроструктурных характеристик определяют выбор параметров для достижения желаемых свойств.

Постобработка

Типичные этапы постобработки EBM:

• Удаление – Очистка от порошка для отделения деталей от рабочей пластины.
• Удаление опоры – Отрезание опорных конструкций при необходимости.
• Снятие стресса — Термическая обработка для предотвращения растрескивания.
• Обработка поверхности – Механическая обработка, шлифовка, полировка для улучшения отделки.
• Горячее изостатическое прессование – Применяет тепло и давление для закрытия остаточных пор и улучшения плотности.
• Инспекция — Подтверждение размеров, состава материала, дефектов

Минимизация поддержки и постобработки является ключевым моментом при проектировании деталей EBM.

Квалификация и сертификация

Детали EBM, предназначенные для регулируемых отраслей, требуют:

• Тестирование в соответствии с применимыми стандартами, такими как ASTM F2924, ASTM F3001 и т. д.
• Обширный метрологический контроль критических размеров и качества поверхности.
• Анализ состава материала посредством химического анализа, характеристика микроструктуры
• Оценка механических свойств, таких как испытания на растяжение, усталость, вязкость разрушения.
• Неразрушающий контроль с использованием рентгеновской томографии, капиллярного контроля и т.д.
• Документирование полной прослеживаемости порошка, параметров сборки, постобработки и т. д.
• Квалификация формальной части и сертификация соответствующими органами

Соблюдение установленных протоколов и стандартов гарантирует соответствие деталей строгим требованиям качества.

EBM по сравнению с другими металлическими AM

Преимущества EBM

• Отличные свойства материала благодаря более быстрому охлаждению
• Высокая производительность и низкая стоимость детали
• Необходимы минимальные поддерживающие структуры
• Не подвержен влиянию остаточных напряжений и деформации.
• Вакуумная среда предотвращает окисление
• Более низкие температурные градиенты по сравнению с лазерными процессами

Ограничения

• Только проводящие материалы, выбор материалов в настоящее время ограничен.
• Больше геометрических ограничений, чем у лазерного АМ
• Грубая обработка поверхности часто требует последующей механической обработки.
• Стоимость оборудования выше, чем у лазерных систем

Успешное внедрение EBM

Ключи к внедрению EBM:

• Оцените требования к применению деталей в сравнении с возможностями EBM.
• Оцените ожидаемую загрузку машины, чтобы определить рентабельность инвестиций
• Учитывайте время/затраты на постобработку во время планирования.
• Сотрудничайте с опытными сервисными бюро, чтобы свести к минимуму время обучения
• Используйте опыт проектирования EBM для модернизации деталей для обеспечения оптимальной технологичности.
• Переход от прототипирования к серийному производству для максимизации производительности
• Внедрить надежные протоколы управления качеством и сертификации.

Комплексный подход к внедрению позволяет компаниям воспользоваться преимуществами EBM и стать лидерами производства.

Вопросы и ответы

Какие материалы используются в EBM?

Распространены титановые сплавы, никелевые суперсплавы, инструментальные стали, кобальт-хром и нержавеющие стали. Можно печатать как стандартные, так и специальные сплавы, оптимизированные для EBM.

Как стоимость EBM соотносится с другими процессами AM металлообработки?

Машины EBM и порошковое сырье дороже, чем лазерные системы AM. Но более высокая скорость сборки и производительность могут компенсировать это для производственных приложений.

Каковы некоторые ключевые различия между EBM и селективной лазерной плавкой?

Более высокая скорость сборки, работа при повышенных температурах и превосходные свойства материала отличают EBM, в то время как ограничения в чистоте поверхности и геометрической свободе являются основными компромиссами.

Какие типы постобработки обычно требуются для деталей EBM?

Распространены удаление поддержек, термообработка для снятия напряжений, горячее изостатическое прессование и обработка поверхности, например обработка на станках с ЧПУ. Минимизация поддержки во время проектирования сокращает постобработку.

Детали какого размера можно изготовить с использованием технологии EBM?

Небольшие настольные системы имеют объем сборки менее 100 мм в кубе, тогда как большие производственные системы могут вмещать детали размером более метра. Максимальный размер увеличивается за счет новых крупноформатных машин.

Заключение

Уникальные возможности EBM по быстрой плавке позволяют производить сложные металлические детали с непревзойденными свойствами и производительностью. Хотя стоимость оборудования и варианты материалов до сих пор ограничивали его внедрение, продолжающийся прогресс открывает новые возможности применения в аэрокосмической, медицинской, оборонной, автомобильной и энергетической отраслях. Будущее EBM светлое, поскольку качество и надежность деталей продолжают улучшаться, а металлические порошки становятся все более доступными и доступными. Информированные производители, которые используют преимущества EBM, учитывая при этом его ограничения, готовы потеснить действующих игроков и стать новыми лидерами.

узнать больше о процессах 3D-печати