Введение в процесс EBM

Электронно-лучевая плавка (EBM) — это процесс аддитивного производства, в котором электронный луч используется для избирательного плавления металлического порошка слой за слоем для создания полностью плотных деталей. В этом руководстве представлен подробный обзор Процесс EBM включая принцип работы, материалы, применение, преимущества, особенности проектирования, оборудование, постобработку, контроль качества, сравнения, затраты и часто задаваемые вопросы.

Введение в электронно-лучевую плавку (ЭЛМ)

Электронно-лучевая плавка — это тип аддитивного производства методом плавления в порошковом слое, при котором электронный луч избирательно сплавляет области порошкового слоя для создания послойных деталей.

К основным преимуществам EBM относятся:

• Полностью плотные металлические детали
• Отличные механические свойства
• Хорошее качество поверхности и разрешение
• Высокая скорость сборки и низкие затраты на деталь
• Необходимы минимальные поддерживающие структуры
• Повторяемые и стабильные результаты

EBM обеспечивает прямое производство сложных, высокопроизводительных металлических компонентов для аэрокосмической, медицинской, автомобильной и промышленной промышленности.

Как работает процесс EBM

Процесс EBM включает в себя следующие ключевые этапы:

Процесс электронно-лучевой плавки

• Модель САПР, разделенная на слои
• Порошок распределить тонким слоем
• Электронный луч сканирует и плавит порошок
• Слой слит с предыдущими слоями
• Повторяется послойно, пока деталь не будет построена.
• Деталь опоры из нерасплавленного порошка
• Снятие с машины и постобработка

Путем выборочного плавления слоев порошка можно создавать изделия сложной геометрии непосредственно на основе цифровых данных.

Материалы для ДМ

EBM может обрабатывать широкий спектр проводящих материалов, включая:

• Титановые сплавы, такие как Ti6Al4V.
• Кобальт-хромовые сплавы
• Суперсплавы на основе никеля
• Инструментальные стали типа H13.
• Алюминиевые сплавы
• Чистая медь
• Драгоценные металлы, такие как золото, серебро

С помощью технологии EBM можно печатать как стандартные, так и специальные сплавы, оптимизированные для AM. Характер слоя порошка позволяет получать сплавы, которые трудно обрабатывать другими методами.

Приложения EBM

EBM хорошо подходит для компонентов, которые имеют следующие преимущества:

• Сложная геометрия возможна только с AM
• Короткие сроки изготовления
• Высокое соотношение прочности и массы
• Хорошая устойчивость к усталости и разрушению
• Отличные механические свойства
• Биосовместимость и коррозионная стойкость
• Высокая температурная производительность
• Консолидация деталей – сокращение количества операций сборки

Промышленные приложения включают в себя:

• Аэрокосмическая промышленность: конструктивные кронштейны, колеса турбокомпрессора, детали двигателя.
• Медицина: ортопедические имплантаты, хирургические инструменты.
• Автомобильная промышленность: облегченные решетчатые конструкции
• Промышленность: теплообменники, детали для работы с жидкостями.

EBM поддерживает инновационные разработки во всех отраслях благодаря широкому выбору сплавов и превосходным механическим свойствам.

Преимущества производства присадок для электронно-лучевой плавки

Ключевые преимущества процесса EBM включают в себя:

• Полностью плотные металлические детали – Достичь плотности 99,9%+, соответствующей литейным свойствам и превосходящей их.
• Механические свойства – Превосходная прочность, усталостная долговечность, твердость и сопротивление разрушению.
• Высокие темпы сборки – Возможна скорость более 100 см3/час при одновременном сканировании нескольких областей.
• Низкие эксплуатационные расходы – Электроэнергия является основной статьей эксплуатационных расходов. Потребляйте меньше энергии, чем лазерные процессы.
• Минимальные поддержки – Детали самоподдерживаются во время сборки, что требует незначительной последующей обработки при удалении опор.
• Возможность вторичной переработки порошка – Неиспользованный порошок можно использовать повторно, что существенно снижает затраты на материалы.
• Сокращение отходов – Очень высокая степень повторного использования порошка и получение практически готовой формы приводит к меньшему количеству отходов, чем при механической обработке.
• Объединение частей – Объединяйте сборки в отдельные печатные детали, чтобы сократить этапы производства и сборки.

Для производства металлов в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и промышленной сферах EBM обеспечивает высокопроизводительные результаты аддитивного производства, которые трудно сравнить с другими методами.

Особенности проектирования ЭБМ

Чтобы в полной мере использовать преимущества EBM, проекты должны следовать принципам проектирования AM:

• Используйте органические, бионические формы, которые невозможно получить при механической обработке.
• Минимизируйте опоры, спроектировав соответствующую геометрию.
• Оптимизируйте толщину стенок для баланса скорости и прочности.
• Учитывайте возможности минимального размера объекта.
• Ориентируйте детали для максимального увеличения разрешения и механических свойств.
• По возможности объединяйте подсборки в отдельные детали.
• Учитывайте эффекты послойного изготовления.
• Спроектировать внутренние каналы для удаления нерасплавленного порошка

Работайте с опытными инженерами-инженерами AM для разработки высокопроизводительных деталей, адаптированных к возможностям EBM.

Оборудование для процесса EBM

Системы EBM состоят из:

• Электронно-лучевая колонна — Мощный электронный луч
• Кассеты для порошка - Доставить свежий порошок
• Порошковые бункеры – Подача порошка послойно
• Построить танк – Содержит платформу для сборки и растущие детали.
• Вакуумный насос – Поддерживает высокий вакуум во время сборки
• Средства управления – Программное обеспечение для подготовки и мониторинга сборок

Промышленные EBM-системы позволяют создавать как прототипы, так и серийное производство. Производители включают Arcam EBM и GE Additive.

Ключевые характеристики машины EBM:

• Размер оболочки конструкции – диаметр до 500 мм, высота до 380 мм.
• Мощность луча – До 3,7 кВт
• Фокус луча – размер пятна до 0,1 мм
• Скорость сборки – возможна более 700 см3/час.
• Вакуум – требуется высокий вакуум 10–4 мбар.
• Точный контроль слоя – толщина 0,05 мм

Такие опции, как несколько бункеров для порошка или лучевые пистолеты, обеспечивают более высокую производительность. Во время печати в рабочей камере поддерживается высокий вакуум с помощью встроенных вакуумных насосов.

Постобработка EBM

После печати детали проходят постобработку:

• Удаление порошка – Излишки порошка собираются и просеиваются для повторного использования.
• Удаление опоры – Необходимо минимальное удаление опоры вручную
• Термическая обработка – Снятие стресса и изменение микроструктуры по мере необходимости.
• Обработка поверхности – Механическая обработка, пескоструйная обработка, шлифовка или полировка при необходимости.

Поскольку опорные структуры минимальны, а высокая плотность достигается непосредственно на машине EBM, постобработка относительно проста по сравнению с некоторыми другими методами AM.

Контроль качества для EBM

Для получения стабильно высокого качества результатов необходимы такие процедуры, как:

• Сборки проверки для набора параметров и проверки свойств.
• Мониторинг характеристик порошка и его повторное использование
• Испытание механических свойств для квалификации
• КТ-сканирование или рентгеновский контроль сложной внутренней геометрии
• Проверка точности размеров
• Измерение шероховатости поверхности
• Документирование параметров сборки и отслеживание партий
• Периодическая калибровка и техническое обслуживание оборудования EBM.

Работайте с опытными поставщиками со строгими системами качества, адаптированными для регулируемых секторов, требующих квалификации деталей.

Чем EBM отличается от других аддитивных методов

EBM против SLM:

• EBM использует электроны, а SLM использует лазер.
• EBM имеет более высокую скорость сборки, а SLM предлагает более высокое разрешение.
• EBM не требует инертного газа, тогда как SLM обычно использует азот.
• Оба производят почти полностью плотные металлические детали в порошковом слое.

EBM против Binder Jetting:

• EBM плавит порошок, а струя связующего склеивает частицы вместе
• EBM создает детали с плотностью >99%, а струйная обработка связующим дает «зеленую» деталь, требующую спекания.
• Металлы EBM сохраняют превосходные свойства, в то время как струйная обработка связующего имеет более низкие характеристики.

EBM против DED:

• EBM использует порошковый слой вместо выдувного порошка для DED
• EBM имеет более высокую точность и чистоту поверхности, тогда как DED быстрее.
• EBM имеет минимальную поддержку, тогда как DED нуждается в большей поддержке.

При небольших и средних объемах конечного использования металлических деталей EBM выгодно конкурирует с другими процессами AM на основе порошков по стоимости.

Распределение стоимости деталей EBM

При анализе затрат на детали EBM ключевые факторы включают в себя:

• Затраты на оборудование – Почасовая ставка операционной аренды. Работает ~$100–$300/час.
• Труд – Проектирование деталей, оптимизация, пред/постобработка.
• Порошок – Выбор материала и степень повторного использования существенно влияют на затраты.
• Энергия – Электричество для работы машины EBM и вспомогательного оборудования.
• Контроль качества – Степень тестирования зависит от приложения.
• Постобработка – Преимущественно автоматизация означает снижение затрат на обработку.
• Объем – Установка представляет собой фиксированную стоимость, амортизируемую при более высоких объемах.

Использование правил проектирования EBM и процедур обеспечения качества, адаптированных для производственных применений, позволяет получить очень экономичные металлические детали, недостижимые другими способами.

Инновационные тенденции в технологии EBM

Достижения в области технологий и приложений EBM включают:

• Увеличенные размеры конвертов и более высокая скорость сканирования позволяют увеличить объемы производства.
• Многолучевые системы нового поколения для увеличения пропускной способности
• Расширенный выбор материалов, таких как медь, алюминий и специальные сплавы.
• Автоматизированное оборудование для обработки порошков и внутреннее метрологическое оборудование
• Гибридные обрабатывающие центры EBM и CNC
• Программное обеспечение для проектирования, объединяющее возможности EBM для «проектирования для AM»
• Оптимизация цепочки поставок с помощью моделей распределенного производства

Эти инновации будут способствовать более широкому внедрению EBM в регулируемых отраслях, где ценится качество, последовательность и производительность этой технологии.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: Какие материалы вы можете обрабатывать с помощью EBM?

Ответ: Обычно обрабатываются титан, никелевые суперсплавы, инструментальные стали, кобальт-хром, алюминий и драгоценные металлы. Могут использоваться как стандартные, так и специальные сплавы, оптимизированные для AM.

Вопрос: Какие отрасли используют EBM?

Ответ: Аэрокосмическая, медицинская, автомобильная и промышленная отрасли используют EBM для производства высокопроизводительных металлических деталей конечного использования, которые нелегко изготовить традиционными методами.

Вопрос: Какова типичная отделка поверхности?

Ответ: Типичная обработка поверхности после печати в диапазоне Ra 15–25 микрон, но при необходимости ее можно улучшить путем последующей обработки.

Вопрос: Насколько точна EBM по сравнению с обработкой на станке с ЧПУ?

Ответ: Точность размеров в пределах 0,1–0,3% является стандартной для технологии EBM и сопоставима или превосходит точность механической обработки для большинства функций.

Вопрос: Какие типы внутренних каналов и геометрий могут быть изготовлены?

Ответ: Сложные каналы и решетки произвольной формы диаметром до 1-2 мм можно надежно изготовить с помощью технологии EBM.

Вопрос: Можете ли вы гальванизировать детали EBM?

О: Да, детали EBM могут быть электропроводными и при необходимости легко подвергаться хромированию, золоту или посеребрению.

Вопрос: Сопоставимы ли механические свойства с коваными металлами?

О: Да, детали EBM соответствуют или превосходят прочность на растяжение, усталость и сопротивление разрушению кованых аналогов.

Вопрос: Сколько времени занимает изготовление детали?

О: Скорость сборки зависит от геометрии, но на современных машинах EBM она колеблется в пределах 5–20 см3/час, что позволяет ускорить выполнение работ.

Вопрос: Требует ли EBM какой-либо поддержки?

Ответ: Из-за высокой температуры порошкового слоя необходимы минимальные опоры. Сокращает время постобработки.

Вопрос: Является ли EBM экологически безопасным?

Ответ: EBM имеет хорошие показатели устойчивого развития благодаря высокой степени повторного использования порошка и низкому уровню отходов по сравнению с субтрактивными процессами. Потребление энергии на деталь снижается с появлением оборудования нового поколения.

узнать больше о процессах 3D-печати