eBM tillverkningsprocess

Smältning med elektronstråle (EBM) är en additiv tillverkningsprocess som använder en elektronstråle för att selektivt smälta metallpulver lager för lager för att bygga upp helt täta delar. EBM-tillverkningsprocessen erbjuder möjligheter utöver konventionella tillverkningsmetoder för att producera komplexa, högpresterande metalldelar.

Översikt över tillverkningsprocessen för ebm

EBM fungerar på samma sätt som andra tekniker för pulverbäddsfusion. Processen äger rum i en högvakuumkammare där en elektronstråle selektivt scannar och smälter pulver som är utspritt i tunna lager på en byggplatta. Efter att varje lager har smält sänks byggplattan och mer pulver krattas över ytan, varefter elektronstrålen smälter och smälter nästa lager.

Viktiga detaljer:

• Bygg delar lager för lager av metallpulver
• Elektronstråle smälter selektivt pulver
• Processen sker i ett vakuum
• Hög strålstyrka för snabb smältning
• Använda stödstrukturer, borttagna efter processen
• Upprepas tills komplett del bildas

Fördelar:

• Designfrihet för komplexa geometrier
• Funktionella metalldelar direkt från CAD
• Utmärkta mekaniska egenskaper
• Delar med hög densitet, upp till 99,9%
• Minskar avfallet jämfört med maskinbearbetning

EBM ger större frihet att tillverka komplexa geometrier med färre restriktioner för vinklar, överhäng och underskärningar jämfört med traditionell tillverkning. Delar som tillverkas med EBM har mekaniska egenskaper som är jämförbara med eller bättre än smidda egenskaper.

Material som används i EBM

EBM kan bearbeta olika legeringar till helt täta detaljer, med störst fokus på titan, aluminium, koboltkrom, nickellegeringar, rostfritt stål och verktygsstål.

Material:

• Titan Ti64, Ti64ELI, kommersiellt ren titan
• Aluminium AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy
• Kobolt Krom CoCrMo, CoCrW
• Nickellegeringar IN718, IN625, IN939
• Rostfritt stål 316L, 17-4PH, 304L, 420
• Verktygsstål H13, D2, M2
• Övriga material: CuSn10, CuCr1Zr

Titanlegeringar används flitigt i flyg- och rymdkomponenter tillsammans med superlegeringar av nickel. Koboltkrom är populärt för medicinska implantat. Verktygsstålsformar och aluminiumkomponenter används inom automation och fordonsindustrin. Olika metallpulver med en storlek på ned till 15 mikrometer kan användas.

EBM-processens kapacitet

EBM kan direkt tillverka slutanvändningsdelar och produkter som är klara för service med liten eller ingen efterbearbetning. Några viktiga funktioner inkluderar:

Geometrisk komplexitet

• Komplexa gitter och nätstrukturer
• Djupa kanaler, underskärningar, tunnlar
• Tunna väggar (< 1 mm) och fina detaljer
• Lättviktsoptimering av topologi

Mekaniska egenskaper

• Hållfasthets- och hårdhetsvärden som matchar eller överträffar smidda metaller
• Utmattnings- och brotthållfasthet i nivå med smide
• Täta komponenter med porositet under 0,8%

Noggrannhet & upplösning

• Noggrannhet inom 0,2 mm eller 2% av detaljdimensionen
• Finaste detaljstorlek runt 0,3 mm
• Tunnaste väggar på 0,25-0,5 mm
• Minsta funktionsstorlek fortsätter att förbättras

Ytfinish

• Rå EBM-ytfinish runt 5-9 μm grovhet
• Ytprofilering kan uppnå en grovhet på 1,5 μm
• Ytterligare processer som används för finare polering

Bygg volymer

• Kommersiella system sträcker sig från 150 mm diameter upp till 1000 x 600 x 500 mm byggnadsvolym
• Större tullsystem är också under utveckling
• Ständiga förbättringar av maximala detaljstorlekar

Stegen i EBM:s additiva tillverkningsprocess

EBM-tillverkningsprocessen består av en serie steg för att ställa in, förbereda, bygga och färdigställa metalldelar additivt lager för lager med hjälp av en elektronstråle för att smälta och smälta samman material.

EBM-processens steg:

1. 3D-modellera detaljen och optimera konstruktionen för AM
2. Konvertera fil till standardformat för EBM-system
3. Välj material, ställ in byggparametrar
4. Förbered metallpulver enligt specifikationerna
5. Fyll på pulver i maskinen, jämna ut byggytan
6. Sprid ut pulverlager, förvärm med stråle
7. Lucka smältområden för varje lager, smälta metall
8. Sänk plattformen, lägg till nästa lager
9. Upprepa skiktning/smältning för att slutföra delen
10. Ta bort från kammaren, separera delen från basplattan
11. Ta bort stödstrukturerna från delen
12. Efterbearbetning genom maskinbearbetning, polering, varm isostatisk pressning vid behov

Viktiga processparametrar som optimerats för varje material är strålens effekt, strålhastighet, luckavstånd, skanningsstrategi, skikttid, skikttjocklek, förvärmningstemperaturer och värmebehandlingar efter processen. Genom att justera dessa inställningar kan man justera detaljens densitet, restspänning, ytfinish, mikrostruktur och mekaniska egenskaper.

Fördelar med additiv tillverkning med elektronstråle

EBM ger flera övertygande fördelar jämfört med traditionell subtraktiv tillverkning eller andra additiva metoder när det gäller kostnad, prestanda, effektivitet, komplexitet, egenskaper och hållbarhet.

Fördelar med EBM:

• Designfrihet för lätta, komplexa geometrier
• Effektiviserat arbetsflöde från CAD till färdig funktionell detalj
• Eliminerar verktyg och fixturer för komplexa funktioner
• Hög metalldensitet upp till 99,9%
• Utmärkta hållfasthets- och hårdhetsegenskaper
• Lägre kostnad per detalj för små/medelstora volymer
• Minskat metallavfall jämfört med subtraktiva processer
• Minimerar efterbearbetning och ledtider
• Parameterstyrning för mikrostruktur och egenskaper
• Hög strålstyrka möjliggör snabbare bygghastigheter

EBM-processen underlättar innovativa designmetoder och konsolidering av komplexa delar för förbättrad prestanda. Den producerar snabbt mycket täta metallkomponenter för slutanvändning utan alltför höga kostnader för specialverktyg eller omfattande efterbearbetning.

Begränsningar av additiv tillverkning med elektronstråle

Vid sidan av fördelarna har EBM vissa inneboende begränsningar som också måste beaktas när man avgör lämpligheten för produktionstillämpningar.

Begränsningar av EBM:

• Högre utrustningskostnad än polymersystem
• Begränsat antal godkända legeringar för flyg- och rymdindustrin/medicin för närvarande
• Optik för strålavböjning begränsar maximal byggstorlek
• Lägre skanningshastigheter än laserpulverbäddsfusion
• Lägre upplösning av finfunktioner än lasersystem
• Strålsmältning påverkas av pulverledningsförmåga och bygghöjd
• Efterbearbetning för att förbättra ytfinishen
• Små inre hålrum eller avsaknad av fusionsdefekter möjliga
• Områden för processövervakning och kvalitetskontroll ska utvecklas

De höga utrustningskostnader som är förknippade med elektronstrålesystem resulterar i högre detaljkostnader, vilket gör EBM mer lämpad för produktion av lägre volymer där kostnadsbesparingar från verktyg uppväger de initiala kapitalutgifterna.

Kvalitetskontroll och efterbearbetning inom EBM

Som med alla additiva tillverkningsprocesser för metall i pulverbädd kan EBM-komponenter drabbas av potentiella kvalitetsproblem avseende porositet, anisotropa egenskaper, ytfinish, restspänningar, pulvereffekter och geometrisk dimensionering som måste åtgärdas genom parameteroptimering, efterbearbetning, isostatisk varmpressning och kvalitetskontroll.

Kvalitetskontroll:

• Konsekventa egenskaper hos metallpulver från råmaterialet
• Parameteroptimering som är specifik för legering och geometri
• In situ-övervakning av termiska utsläpp
• CT-undersökningar efter byggnationen för att verifiera densiteten
• Provning av mekaniska egenskaper enligt ASTM-standarder

Efterbearbetning:

• Termisk avspänning och isostatisk pressning i varmt tillstånd
• Pärlblästring för att förbättra ytfinishen
• Fräsning, svarvning, slipning, polering
• Ytbeläggningar eller behandlingar för funktionella egenskaper

Pågående arbete fortsätter med att utveckla processövervakning i realtid, kvalitetskontroll av råmaterialpulver, modellsimuleringar och parameteroptimering med sluten återkoppling för att förbättra kvalitet och tillförlitlighet.

Tillämpningar av additiv tillverkning med elektronstråle

De designfriheter som EBM ger kan översättas till högpresterande slutanvändningskomponenter i progressiva industrier som flyttar fram gränserna inom flyg- och rymdindustrin, försvarsindustrin, medicinteknik, fordonsindustrin och energisektorn.

Tillämpningar inom industrin:

Flyg- och rymdindustrin - Turbinblad, impellrar, tryckkammare, gitter Fordon - Lättviktskomponenter för chassi och drivlina Medicinsk - Ortopediska implantat, protetiska enheter
Energi - Värmeväxlare, tryckkärl, borrning Försvar - UAV:er, delar till militära skyddsfordon Verktyg - Formar, matriser och mönster för konform kylning

EBM underlättar konsolidering av komplexa sammansättningar till enskilda delar med förbättrade egenskaper och används för produktion av små till medelstora serier. Processen fortsätter från snabb prototypframtagning till certifierad serietillverkning i takt med att bredare legeringar och kvalitetskontrollåtgärder mognar.

Leverantörer av EBM-utrustning

En handfull etablerade industriella leverantörer erbjuder kommersiella EBM-system för additiv tillverkning tillsammans med integrerade pulverhanteringslösningar. Anpassade storformatmaskiner är också under utveckling.

EBM Utrustningsleverantörer:

Småskaliga system / forskningssystem

• Arcam A2X
• Institutet för avancerad tillverkningsteknik EBAM 150
• Linz centrum för mekatronik GmbH Micro-EBAM

Större byggvolymer fortsätter att öka med kundanpassade lösningar på över en meters längd under utveckling. Strålbredderna utvecklas också från en enda e-stråle till flera koordinerade strålar för högre hastigheter.

Kostnadsanalys av additiv tillverkning med elektronstråle

För att EBM ska kunna användas som en additiv tillverkningsprocess för slutanvändning av metall måste kostnaderna för anskaffning av utrustning, förbrukningsmaterial och driftskostnader vägas mot de kostnadsbesparingar som uppnås genom konsolidering av enheter, minimering av maskinbearbetning och rätt dimensionering av lager.

Kostnadsfaktorer - EBM vs traditionell tillverkning

I allmänhet ger EBM fördelar för komplexa metalldetaljer i lägre volymer, cirka en till ett par hundra enheter, där lagerhållning, bearbetningstid och monteringskonsolidering uppväger avsevärt högre maskin- och pulverkostnader jämfört med traditionell tillverkning i höga volymer med dyra verktyg och extrema batchstorlekar. Detaljkvantitet, hastighet, komplexitet, prestandamål och kvalitetsförväntningar är viktiga faktorer vid valet av optimal produktionsmetod.

Säkerhetsaspekter för additiv tillverkning med elektronstråle

Som med all industriell tillverkningsutrustning medför 3D-printning med elektronstråle metall hälso- och säkerhetsrisker avseende högspänningselektricitet, inerta gaser, reaktiva metallpulver och hantering av giftiga material som kräver riskreducerande åtgärder.

Säkerhetsöverväganden för EBM:

• Inneslutning av högspänningselektronik
• Skydd mot exponering för röntgenstrålning
• Kryogena gaser under tryck
• Damm av reaktivt metallpulver
• Exponering för nanopartiklar
• Ergonomi vid manuell siktning av pulver
• Mekaniska förreglingar och laserförreglingar
• Försiktighetsåtgärder vid materialets brandfarlighet
• Personalens krav på personlig skyddsutrustning
• Låsning av utrustning och nödstopp
• Rutinmässigt underhåll för drifttid
• Övervakning av stråltimmar och prestanda

Grundlig utbildning av operatörer i kombination med tekniska kontroller, säkerhetsprotokoll, skyddsutrustning, reglerat underhåll och direktiv från Assembly Bill och Conformité Européenne som gäller för pulverbäddsutrustning ger flera lager av hälso- och miljöskydd.

Framtidsutsikter för additiv tillverkning med elektronstråle

I takt med att EBM-tekniken och -kvaliteten fortsätter att utvecklas förväntas en bredare användning inom flyg-, medicin-, industri-, verktygs- och fordonssektorerna, där applikationer med måttliga produktionsvolymer under några tusen enheter gynnas och där prestanda motiverar högre kostnader.

Framtida trender inom EBM:

• Utökad portfölj av bearbetningsbara legeringar
• Hårdvara för större byggvolymer
• Flerstråliga system för högre hastigheter
• Förbättrad räckvidd och noggrannhet för strålens avböjning
• Förbättrad strålfokusering och precision
• In situ-övervakning och reglering med sluten slinga
• Standardisering av processparametrar
• Heltäckande lösningar för pulverhantering
• Integration av hybridtillverkning
• Kvalitetsriktmärken för certifiering
• Produktionstillämpningar med hög hastighet

Genom att integrera flera koordinerade elektronstrålar kan skanningshastigheterna mångdubblas. Hybridsystem som kombinerar EBM med fräsning eller andra sekundära operationer i en enda plattform möjliggör strömlinjeformad efterbearbetning. I takt med att hårdvara, material, kvalitetsprotokoll och arbetsflöden för godkännande av detaljer utvecklas, kan EBM användas för produktion i högre hastigheter i allt fler certifierade applikationer.

VANLIGA FRÅGOR

F: Vilka material kan EBM bearbeta?

S: EBM bearbetar vanligen titan, aluminium, nickel, koboltkrom, rostfritt stål, verktygsstål och kopparlegeringar. Materialalternativen fortsätter att utökas.

F: Tillverkar EBM porösa eller helt täta detaljer?

S: EBM tillverkar över 99% täta metallkomponenter med hjälp av delvis försintrade pulver. Densiteten överstiger gjutna och smidda metaller.

Q: Hur exakt är EBM jämfört med andra AM-processer för metall?

A: Måttnoggrannheten når ±0,2 mm med toleranser som är konkurrenskraftiga med andra pulverbäddstekniker, precisionen förbättras med erfarenhet.

Q: Vilka branscher använder EBM-tillverkning?

A: Flyg-, medicin-, fordons-, industri-, verktygs-, försvars-, robot- och energiindustrin använder EBM för komponenter för slutanvändning.

Fråga: Vad är kostnaden per detalj för additiv tillverkning med EBM?

S: Artikelkostnaderna varierar från $100 till $10.000+ beroende på storlek, geometrisk komplexitet, bygghastigheter, materialvolymer, behov av efterbearbetning etc.

F: Vilka tjänsteleverantörer erbjuder EBM additiv tillverkning?

A: RapidDirect, 3D Systems, Carpenter Additive, Alloyed, Sigma Labs, Velo3D, Barnes Aerospace, Burloak Technologies, Morf3D.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser