понимание технологии EBM

Технология EBM является передовой технологией аддитивного производства с уникальными возможностями. В данном руководстве представлен полный обзор технологии EBM, включая ее работу, преимущества, области применения, поставщиков систем и сравнение с другими процессами 3D-печати.

Введение в электронно-лучевую плавку (ЭЛМ)

Электронно-лучевое плавление - это технология аддитивного производства, при которой электронный луч используется для послойного выборочного расплавления и сплавления частиц металлического порошка. Ключевые особенности:

• В качестве источника энергии для расплавления металлического порошка используется электронный луч
• Изготовление деталей путем выборочного расплавления слоев порошка
• Типичными материалами являются титан, никелевые сплавы, инструментальные стали, алюминий
• Получение полностью плотных деталей с отличными свойствами
• Поддержка сложных геометрических форм, невозможных при литье/обработке
• Обеспечивает свободу проектирования, индивидуальный подход, сокращает время выполнения заказа

EBM обеспечивает превосходные механические свойства, чистоту материала, шероховатость поверхности и точность размеров деталей конечного применения в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других отраслях промышленности.

В данном руководстве представлен подробный обзор процесса EBM, технологий, преимуществ, областей применения, поставщиков систем и сравнение с другими методами AM.

Как Технология EBM Работает

Электронно-лучевое плавление позволяет получать детали на следующих основных этапах:

Этапы процесса EBM

• 3D-модель, разработанная в программе CAD, преобразуется в файл .STL
• Файл нарезается на слои и генерируется последовательность сборки
• Металлический порошок равномерно распределяется по рабочей пластине
• Электронный луч избирательно сканирует и расплавляет порошок для сплавления слоев
• Плита опускается, и наносится новый слой порошка
• Процесс повторяется до тех пор, пока не будет послойно собрана вся деталь
• Нерасплавленный порошок поддерживает деталь во время сборки
• Готовая деталь снимается со станка для последующей обработки
• Высокоэнергетический электронный луч обеспечивает быстрое и точное плавление и сварку
• Процесс происходит при высокой температуре в вакууме для обеспечения чистоты
• Неиспользованный порошок извлекается и используется повторно, что позволяет минимизировать количество отходов

Типы систем EBM

В настоящее время существует два основных типа систем EBM:

Типы систем EBM

Тип	Описание
Однолучевая система	Одиночный электронный луч
Многолучевая система	Несколько параллельных лучей

• Однолучевые системы используют один мощный электронный луч, обычно 50-60 кВт. Скорость сборки ниже из-за требований к сканированию.
• Многолучевые системы использование нескольких лучей вместе для повышения скорости. Это значительно сокращает время сканирования.
• Мощность одного луча составляет 3-6 кВт. Суммарная мощность многолучевых систем составляет более 10 МВт.
• Многолучевые системы последнего поколения значительно повышают скорость сборки.
• Управление, сканирование и фокусировка пучка являются критически важными подсистемами для прецизионной плавки.

Материалы для ДМ

EBM совместим с целым рядом металлов и сплавов, включая:

Материалы EBM

Материал	Основные свойства	Приложения
Титановые сплавы	Высокая прочность, малая масса	Авиакосмическая промышленность, медицина
Никелевые суперсплавы	Термо/коррозионная стойкость	Лопатки турбины
Инструментальные стали	Твердость, износостойкость	Инструментальная оснастка, пресс-формы
Нержавеющие стали	Коррозионная стойкость	Морское оборудование
Кобальтовый хром	Биосовместимость	Медицинские имплантаты
Алюминиевые сплавы	Легкий	Автомобили, конструкции
Медные сплавы	Электропроводность	Электроника

• Титановые сплавы типа Ti-6Al-4V наиболее распространены для изготовления ответственных деталей аэрокосмической техники.
• Никелевые суперсплавы отлично зарекомендовали себя в высокотемпературных средах, например в турбинных двигателях.
• Инструментальные стали обеспечивают твердость, необходимую для изготовления долговечных пресс-форм и оснастки.
• Биосовместимые сплавы используются для изготовления имплантатов и медицинских изделий.
• EBM поддерживает реактивные металлы, такие как титан и алюминий, лучше, чем лазерные процессы.

Преимущества и достоинства EBM

Основные преимущества, делающие EBM привлекательным для производственных приложений, включают:

Преимущества EBM

• Полностью плотные, без пустот детали
• Отличные механические свойства
• Высокая геометрическая и размерная точность
• Хорошая обработка поверхности и мелкие детали
• Низкие требования к постобработке
• Детали высокой чистоты с меньшим загрязнением
• Меньше отходов материала за счет регенерации порошка
• Поддерживаются сложные внутренние геометрии
• Объединение нескольких деталей в единую конструкцию

Vs. Традиционное производство

• Позволяет создавать более легкие и прочные конструкции, невозможные при литье или механической обработке
• Консолидация сборок в отдельные печатные детали
• Позволяет придавать формы, которые не поддаются формовке или ковке
• Сокращение времени выполнения заказа с нескольких месяцев до нескольких недель
• Снижение затрат при мелкосерийном производстве

Приложения EBM

Преимущества EBM позволяют использовать его для:

Приложения EBM

Промышленность	Используется
Аэрокосмическая промышленность	Лопатки турбин, каркасы конструкций, ракеты
Медицина	Ортопедические имплантаты, хирургические инструменты
Автомобильная промышленность	Облегчение опытных образцов, нестандартных деталей
Инструментальная оснастка	Пресс-формы для литья под давлением, формовочные штампы, оснастка и приспособления
Энергия	Теплообменники, клапаны, насосы
Электроника	Экранирование, контакты, системы охлаждения

• В авиакосмической промышленности широко используется EBM для изготовления более легких и прочных деталей из титана и никелевых сплавов.
• Медицинский сектор использует геометрическую свободу и биосовместимость EBM для изготовления имплантатов.
• Исследователи в области автомобилестроения используют его для создания легких оптимизированных топологических схем.
• Конформные каналы охлаждения могут быть встроены в оснастку для литья под давлением.
• В нефтегазовой промышленности он используется для изготовления деталей, работающих при высоких температурах и давлении.
• В электронике выгодно использовать тонкие детали и токопроводящие сплавы EBM.

Поставщики систем EBM

К основным производителям систем EBM относятся:

Поставщики EBM-машин

Компания	Машиностроительные бренды
Arcam EBM	Arcam A2X, Q20plus, Spectra H, Q10plus
GE Additive	Arcam EBM Spectra L, Arcam EBM Spectra H
Freemelt	Freemelt ONE, Freemelt TWO
Добавка Wayland	Calder

• Компания Arcam EBM, ныне входящая в состав GE Additive, является лидером на рынке систем EBM.
• Другие компании, такие как Freemelt и Wayland Additive, предлагают многолучевые EBM-системы нового поколения.
• Производительность станков варьируется от объемов сборки 150 х 150 х 150 мм до более крупных 1000-миллиметровых вариантов.
• Новейшие машины EBM обеспечивают автоматизированную обработку порошка и замкнутый цикл переработки.
• Для различных областей применения предоставляются индивидуальные параметры и учебная поддержка.

Анализ затрат на EBM

Затраты на производство ЭБМ зависят от:

Факторы стоимости EBM

• Цена приобретения машины - от $500 тыс. до более $2 млн.
• Стоимость порошка материала за кг
• Трудозатраты на проектирование, эксплуатацию, последующую обработку деталей
• Объем производства
• Скорость построения и коэффициент использования
• Потребление энергии
• Обслуживание оборудования и накладные расходы

Типовой диапазон

• Мелкие детали из Ti-6Al-4V: $20 - 150 за деталь
• Крупногабаритные аэрокосмические компоненты: $2000 - 15 000+
• Высокосерийное производство с использованием многолучевых систем обеспечивает самые низкие затраты

Сравнение между EBM и другие процессы АМ

EBM против других металлических AM

	EBM	Лазерный ПБФ	DED	Струйная обработка вяжущего
Материалы	Ti, Ni, Al, инструментальные стали	Ti, Al, стали, Ni	Большинство металлов	Нержавеющие стали
Плотность	Полностью плотный 99%	Полностью плотный 99%	99% плотный	90-95% плотный
Точность	Отлично, ± 0,2%	Отлично, ± 0,1%	Умеренный, ± 1%	Умеренная, ± 0,5%
Отделка поверхности	Очень хорошо, Ra 25 мкм	Отлично, Ra 10 мкм	Грубая осажденная поверхность	Хорошие показатели после спекания
Темп строительства	Умеренный	Быстрый	Очень быстро	Умеренный
Стоимость оборудования	Высокая	Высокая	Умеренный	Низкий
Приложения	Авиакосмическая промышленность, медицина	Аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение	Ремонт, покрытия, крупные детали	Серийное производство

• Лазерный PBF обеспечивает более высокую скорость построения и более тонкое разрешение, чем EBM.
• EBM обеспечивает превосходные свойства материала при меньших внутренних напряжениях.
• Струйное нанесение связующего является более дешевым, но для получения полной плотности требуется спекание.
• DED работает быстро, но подходит для крупномасштабных промышленных применений.
• Пользователи выбирают процесс в зависимости от материалов, качества, скорости и бюджетных потребностей.

Проблемы и ограничения EBM

Некоторые проблемы, связанные с EBM, включают в себя:

• Высокие затраты на оборудование и материалы
• Ограниченность поставщиков оборудования и сервисной поддержки
• Ограниченный выбор материалов по сравнению с другими АМ
• Более низкая скорость сборки по сравнению с лазерной PBF
• Обращение и переработка порошков химически активных металлов
• Постобработка для снятия внутренних напряжений
• Требование вакуумной среды при сборке

Ведущиеся разработки направлены на увеличение скорости сборки, снижение стоимости оборудования, расширение материальных возможностей и масштабирование процесса для крупносерийного производства.

Перспективы развития Технология EBM

Будущие тенденции в EBM:

• Более высокая скорость сборки с помощью новых многолучевых систем
• Большие строительные платформы размером более 500 мм x 500 мм
• Расширенная номенклатура материалов, включающая больше алюминиевых и медных сплавов
• Улучшенная обработка порошка и замкнутый цикл переработки
• Усовершенствование программного обеспечения для проектирования и оптимизации процессов
• Снижение стоимости оборудования и более широкое внедрение в конечное производство
• Применение в спутниковых компонентах, электротранспорте, инструментальной промышленности и биомедицине

Совершенствование систем EBM позволит расширить их применение в аэрокосмической, автомобильной, медицинской, электронной и энергетической отраслях.

Основные выводы по технологии EBM

• В EBM электронный луч используется для селективного послойного расплавления и сплавления частиц металлического порошка.
• Изготавливает детали практически сетчатой формы с высокой чистотой, плотностью, прочностью и точностью материала.
• Распространенными материалами являются титановые сплавы, никелевые суперсплавы, инструментальные стали, алюминиевые сплавы.
• Аэрокосмическая и медицинская отрасли являются сегодня основными потребителями EBM.
• Обеспечивает преимущества перед литьем, механической обработкой и другими методами AM для сложных геометрических форм.
• Многолучевые системы значительно повышают скорость сборки и масштабируют производство.
• Ведущиеся разработки направлены на расширение материальных возможностей и снижение затрат.

Вопросы и ответы о технологии EBM

Вопрос: Какие материалы можно обрабатывать с помощью EBM?

О: К распространенным материалам для ЭБМ относятся титановые сплавы, никелевые суперсплавы, инструментальные стали, нержавеющие стали, кобальт-хром, алюминиевые и медные сплавы.

Вопрос: Каковы примеры деталей, производимых компанией EBM?

О: EBM используется для производства критических аэрокосмических компонентов, таких как лопатки турбин, каркасы конструкций, детали двигателей. Она также используется для изготовления медицинских имплантатов, автомобильных прототипов, промышленной оснастки и т.д.

Вопрос: Насколько точным является EBM?

О: EBM обеспечивает превосходную точность размеров в пределах ±0,2% по сравнению с проектными размерами благодаря прецизионному процессу электронно-лучевой плавки.

Вопрос: Является ли EBM более быстрой по сравнению с такими методами 3D-печати металлов, как DMLS?

О: В целом процессы лазерного наплавления порошкового слоя обеспечивают более высокую скорость сборки, чем EBM. Однако новые многолучевые системы EBM стремятся сравняться или превзойти по скорости лазерный PBF.

Вопрос: Какая постобработка требуется для деталей EBM?

О: Типичная последующая обработка включает удаление наростов, термообработку для снятия напряжений, горячее изостатическое прессование, а также механическую обработку или шлифование, если требования к чистоте поверхности являются критическими.

Вопрос: В чем преимущество многолучевого EBM?

О: В многолучевых системах для расплавления слоев используется несколько параллельных электронных пучков. Это обеспечивает значительно более высокую скорость сборки при сохранении свойств материала EBM.

Вопрос: Изготавливаются ли с помощью EBM пористые или абсолютно твердые детали?

О: Компания EBM производит более 991ТП3Т плотных, полностью цельных деталей с отличной целостностью материала и свойствами, пригодными для функционального конечного использования в ответственных приложениях.

Вопрос: Как перерабатывается порошок EBM?

О: Неиспользованный порошок можно собрать, просеять для удаления крупных частиц, смешать со свежим порошком и снова ввести в машину для повторного использования.

Вопрос: Является ли EBM экологически безопасным?

О: EBM имеет преимущества с точки зрения экологичности, поскольку обеспечивает высокий процент повторного использования порошка, малое количество отходов и оптимизированные конструкции с малым весом, что позволяет снизить расход материалов в течение всего жизненного цикла детали.

узнать больше о процессах 3D-печати