Обзор технологии электронно-лучевого плавления

Электронно-лучевая плавка (EBM) - это технология аддитивного производства, широко используемая для 3D-печати металлов. EBM использует мощный электронный луч в качестве источника тепла для выборочного расплавления и послойного сплавления металлических порошков с целью создания полностью плотных деталей непосредственно на основе данных CAD.

По сравнению с другими методами металлической 3D-печати, например лазерной, EBM обладает рядом уникальных преимуществ в плане скорости сборки, свойств материалов, качества и экономической эффективности. Однако он также имеет некоторые ограничения по разрешению, качеству обработки поверхности и выбору материалов.

В данном руководстве представлен подробный обзор технологии электронно-лучевого плавления, включая:

• Как работает EBM
• Типы оборудования и основные компоненты
• Материалы и применение
• Конструктивные соображения
• Параметры процесса
• Преимущества и ограничения
• Сравнение поставщиков
• Руководство по эксплуатации
• Анализ затрат
• Выбор подходящей системы EBM

Принцип работы электронно-лучевой плавки

Процесс EBM происходит в высоковакуумной камере, заполненной инертным газом аргоном. Металлический порошок распределяется тонкими слоями по платформе с помощью ракелей. Электронный луч из электронной пушки используется для выборочного расплавления и сплавления участков каждого слоя порошка в соответствии с данными о срезах, полученными из CAD-модели.

Платформа постепенно опускается с каждым новым слоем. Детали изготавливаются непосредственно на платформе без использования опорных конструкций благодаря независимой от геометрии природе порошкового наплавления. После завершения процесса излишки порошка удаляются, и получается цельная 3D-печатная деталь.

Высокая плотность энергии электронного пучка приводит к быстрому плавлению и затвердеванию, что обеспечивает высокую скорость сборки. Процесс EBM происходит при повышенных температурах до 1000°C, что снижает остаточные напряжения и деформации.

Плотность деталей, напечатанных с помощью EBM, составляет более 99%, а свойства материалов сравнимы или превосходят традиционные.

Типы и компоненты оборудования EBM

Системы EBM содержат следующие основные компоненты:

Электронная пушка - генерирует сфокусированный пучок электронов высокой энергии

Управление лучом - электромагниты направляют и отклоняют электронный пучок

Высоковольтный источник питания - ускоряет электроны до 60 кВ

Вакуумная камера - обеспечивает условия высокого вакуума

Дозирование порошка - нанесение и распределение слоев металлического порошка

Порошковые кассеты/хопперы - хранение и доставка порошка

Построение платформы - постепенно снижается по мере наращивания слоев

Нагревательные змеевики - предварительный нагрев порошкового слоя до 1000°C

Консоль управления - компьютер и программное обеспечение для работы системы

Существует несколько разновидностей коммерческих EBM-машин:

Большая площадь сборки и большая мощность луча позволяют ускорить сборку, увеличить размеры деталей и повысить производительность. Малогабаритные машины, как правило, имеют более высокое разрешение и качество обработки поверхности.

Материалы и приложения EBM

Наиболее распространенными материалами, используемыми в EBM, являются:

• Титановые сплавы типа Ti-6Al-4V
• Суперсплавы на никелевой основе, такие как Inconel 718, Inconel 625
• Кобальтохромовые сплавы
• Инструментальные стали, такие как H13, мартенситно-стареющая сталь
• Алюминиевые сплавы
• Медные сплавы
• Нержавеющие стали, такие как 17-4PH, 316L

Основные области применения EBM включают:

• Аэрокосмическая промышленность - лопатки турбин, крыльчатки, кронштейны конструкций
• Медицина - ортопедические имплантаты, протезирование
• Автомобильная промышленность - компоненты для автоспорта, оснастка
• Промышленность - детали для обработки жидкостей, теплообменники
• Инструментальная оснастка - пресс-формы для литья под давлением, литье под давлением, экструзионные штампы

Преимущества EBM для этих приложений включают:

• Высокая прочность и усталостная прочность
• Сложные геометрии с решетками и внутренними каналами
• Короткие сроки изготовления металлических деталей
• Объединение сборочных единиц в одну деталь
• Облегчение и оптимизация конструкции
• Персонализация и персонализация деталей

Особенности проектирования ЭБМ

EBM накладывает некоторые ограничения на проектирование:

• Минимальная толщина стенок 0,8-1 мм для предотвращения разрушения
• Отсутствие подрезов и горизонтальных выступов
• Максимальные безопорные свесы 45°
• Открытые внутренние каналы диаметром не менее 1 мм
• Тонкие характеристики ограничены разрешением 0,5-1 мм

При проектировании следует избегать резких тепловых градиентов, чтобы минимизировать остаточные напряжения:

• Равномерная толщина стенок
• Постепенные переходы по толщине сечения
• Внутренние опоры и решетки для больших объемов

Последующая обработка, такая как механическая обработка, сверление и полировка, может улучшить качество поверхности.

Параметры процесса EBM

Основные параметры процесса EBM:

• Электронный луч - Ток луча, фокусировка, скорость, диаграмма направленности
• Порошок - Материал, толщина слоя, размер частиц
• Температура - Предварительный нагрев, темп построения, стратегия сканирования
• Скорость - Расстояние до точки, скорость контура, скорость штриховки

Эти параметры контролируют такие свойства, как плотность, точность, шероховатость поверхности, микроструктуру:

Для достижения оптимальных свойств материала и точности обработки для каждого сплава требуется точная настройка этих параметров.

Преимущества электронно-лучевой плавки

К основным преимуществам EBM относятся:

• Высокая производительность - возможно до 80 см3/час
• Полностью плотные детали - достигнута плотность более 99%
• Отличные механические свойства - прочность, твердость, усталостная прочность
• Высокая точность и повторяемость - точность ±0,2 мм
• Требуется минимальное количество опор - уменьшается объем постобработки
• Высокотемпературные конструкции - снижение остаточных напряжений
• Низкий уровень загрязнения - вакуумная среда высокой чистоты

Высокая скорость сканирования приводит к быстрым циклам плавления и затвердевания, создавая мелкозернистые микроструктуры. Метод послойного наращивания позволяет получать детали, сравнимые по своим свойствам с деформируемыми.

Ограничения электронно-лучевой плавки

К недостаткам EBM относятся:

• Ограниченное разрешение - минимальный размер элемента ~0,8 мм
• Шероховатая поверхность - эффект "ступеньки", требует доводки
• Ограниченные материалы - в основном сплавы Ti, сплавы Ni, CoCr в настоящее время
• Высокая стоимость оборудования - от $350 000 до $1 млн+ за машину
• Медленное время предварительного нагрева - 1-2 часа для достижения заданной температуры
• Риск загрязнения - цирконий может загрязнять реакционноспособные сплавы
• Управление порошками - переработка, обработка мелких порошков
• Требования к прямой видимости - горизонтальные выступы невозможны

Анизотропная слоистая структура и эффект "ступеньки" из спеченных слоев порошка создают видимые полосы на поверхностях, обращенных вверх. Электронный луч может плавить материал только в прямой видимости.

Поставщики EBM-машин

К основным производителям EBM-оборудования относятся:

EBM-системы Arcam имеют самые широкие возможности по работе с материалами, а Sciaky предлагает решения для крупносерийного производства. Компании SLM Solutions и JEOL также предлагают технологии EBM, ориентированные на металлы.

Эксплуатация систем EBM

Эксплуатация машины EBM:

1. Устанавливайте оборудование EBM с надлежащим электропитанием, охлаждением, инертным газом и вытяжной вентиляцией.
2. Загрузка данных САПР и ввод параметров сборки в программное обеспечение EBM
3. Просеивание и загрузка металлического порошка в кассеты
4. Предварительный нагрев порошкового слоя до технологической температуры
5. Калибровка фокуса и мощности электронного пучка
6. Начало послойной сборки по мере сканирования и расплавления порошка
7. Дайте деталям медленно остыть перед снятием с машины
8. Удаление излишков порошка с помощью вакуумной очистки
9. Вырезание деталей из сборочной плиты и проведение постобработки

Правильная обработка и хранение порошка очень важны для предотвращения загрязнения, которое может привести к дефектам. Также необходимо регулярное обслуживание пучковой нити, порошковых фильтров и вакуумной системы.

Анализ затрат на обработку EBM

Факторы затрат на производство ЭБМ:

• Амортизация оборудования - ~15-20% от общей стоимости детали
• Труд - эксплуатация оборудования, последующая обработка
• Порошок - $100-500/кг для титановых сплавов
• Мощность - высокое потребление электроэнергии при строительстве
• Аргон - суточный расход продувочного газа
• Техническое обслуживание - источник пучка, вакуумная система, ракели
• Постобработка - удаление опор, обработка поверхности

Экономия на масштабе может быть достигнута за счет пакетной обработки небольших деталей в рамках одной сборки. Более крупные станки производят детали быстрее и с меньшими затратами. Высокая первоначальная стоимость системы распределяется на большее количество деталей.

При малосерийном производстве передача сервисного бюро на аутсорсинг позволяет минимизировать накладные расходы на оборудование.

Как выбрать систему EBM

Ключевые соображения при выборе машины EBM:

• Построить оболочку - соответствие требованиям к размерам деталей
• Точность - минимальный размер детали и требования к качеству обработки поверхности
• Материалы - сплавы, необходимые для применения
• Пропускная способность - достижение ежедневных/ежемесячных целей по объему производства
• Требования к питанию - доступная мощность электроснабжения
• Программное обеспечение - простота использования, гибкость, форматы данных
• Постобработка - время и стоимость отделки
• Обучение и поддержка - монтаж, эксплуатация, техническое обслуживание
• Общая стоимость - цена системы, операционные расходы, порошок

Проведение тестовых сборок образцов деталей на различных EBM-системах для оценки фактического качества и экономичности деталей.

Вложите средства в самый большой корпус, который соответствует бюджету и пространственным ограничениям, чтобы иметь возможность расширения в будущем. Сотрудничайте с надежным поставщиком, который может обеспечить постоянную техническую поддержку.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: Насколько точным является EBM?

О: Для деталей EBM типичны точность размеров и допуски ±0,2 мм. Возможна тонкая обработка до 0,3 мм.

Вопрос: Какие материалы могут быть использованы в EBM помимо металлов?

Ответ: EBM ограничивается проводящими металлическими сплавами. Фотополимеры и керамика в настоящее время не могут быть обработаны из-за источника энергии электронного пучка.

Вопрос: Требует ли EBM какой-либо поддержки?

Ответ: EBM не требует опорных конструкций для выступов менее 45° из-за независимого от геометрии характера порошковой плавки. Минимальные внутренние опоры могут быть полезны для больших полых секций.

Вопрос: Какова степень обработки поверхности?

О: Готовые детали EBM имеют относительно шероховатую поверхность из-за слоев порошка и следов сканирования. Для улучшения качества поверхности требуется различная механическая обработка, шлифовка или полировка.

Вопрос: Насколько дороже EBM по сравнению с другими процессами 3D-печати?

О: Оборудование EBM имеет более высокую начальную стоимость - от $350 тыс. до более $1 млн. Однако высокая скорость сборки позволяет компенсировать это за счет снижения стоимости детали при масштабировании. Стоимость процесса в расчете на одну деталь конкурентоспособна по сравнению с другими методами металлической 3D-печати.

Вопрос: Требуется ли какая-либо постобработка деталей EBM?

О: Большинство деталей, изготовленных по технологии EBM, нуждаются в некоторой последующей обработке, такой как вырезание из плиты, снятие напряжения, обработка поверхности, сверление отверстий, шлифовка или полировка для достижения окончательной чистоты детали, допусков и внешнего вида. Может потребоваться минимальная ручная доводка для снятия острых кромок или уменьшения шероховатости.

узнать больше о процессах 3D-печати