smältning med elektronstråle 3d-utskrift

Översikt

3d-utskrift med elektronstrålesmältning är en additiv tillverkningsteknik som använder en elektronstråle som energikälla för att selektivt smälta och smälta metallpulverpartiklar lager för lager för att tillverka komplexa 3D-delar.

Jämfört med andra 3D-utskriftsmetoder för metall erbjuder EBM tydliga fördelar som utmärkta mekaniska egenskaper, höga bygghastigheter, fördelar med vakuumbearbetning och lämplighet för reaktiva material. Den höga utrustningskostnaden och de begränsade materialalternativen har dock begränsat användningen av EBM till krävande applikationer inom flyg-, medicin- och fordonssektorn.

Denna omfattande guide täcker EBM-teknik, process, material, applikationer, systemtillverkare, kostnader, fördelar/begränsningar och andra vanliga frågor för att hjälpa tillverkare att utvärdera om EBM är rätt metall AM-lösning för deras behov.

Hur Elektronstrålesmältning 3D-utskrift Verk

EBM-utskrift omfattar följande viktiga steg:

Förberedelse av 3D-modell

• CAD-modell optimerad för EBM – väggtjocklekar, stöd, orientering etc.

Konvertering av filer till .STL

• CAD-geometri konverterad till triangulära fasetter .STL-fil

Maskininställning

• Inmatning av byggparametrar: hastighet, effekt, fokusförskjutning etc.
• Material laddat, parametrar justerade baserat på pulveregenskaper

Pulverskakning

• Pulver jämnt krattat över byggplattformen i kontrollerade lager

Smältning med elektronstråle

• Fokuserad elektronstråle smälter selektivt pulver för att bygga upp varje lager
• Vakuummiljö förhindrar oxidation

Sänkning av plattform

• Efter att ett lager har smält, indexeras plattformen ned efter lagertjocklek
• Nytt lager av pulver sprids över föregående lager

Avlägsnande från maskinen

• Överskott av pulver avlägsnas från byggda delar
• Stödstrukturer fristående
• Efterbearbetning görs vid behov

Uppbyggnadsprocessen lager för lager möjliggör invecklade, optimerade geometrier med utmärkta egenskaper.

Material för EBM 3D-utskrift

EBM är kompatibel med en rad olika metallegeringar:

Material	Viktiga egenskaper	Tillämpningar
Titanlegeringar	Hög hållfasthet, lågt viktförhållande	Flyg- och rymdindustrin, medicinska implantat
Superlegeringar av nickel	Värme- och korrosionsbeständighet	Turbinblad, munstycken till raketer
Kobolt-krom	Biokompatibilitet, hög hårdhet	Tandimplantat, medicintekniska produkter
Verktygsstål	Utmärkt slitstyrka	Skärande verktyg, formar, matriser
Rostfria stål	Korrosionsbeständighet, hög duktilitet	Pumpar, ventiler, kärl

Både standardlegeringar och speciallegeringar som är optimerade för EBM kan skrivas ut. För nya material krävs parameterinställning för att uppnå önskade egenskaper.

EBM-maskin leverantörer

De stora EBM-utrustningstillverkarna inkluderar:

Leverantör	Viktiga maskinmodeller	Bygg kuvertet
Arcam EBM (GE Additive)	Arcam A2X, Q10plus, Spectra H, Spectra L	254 x 254 x 380 mm
Velo3D	Safir	250 x 250 x 300 mm
Raycham	EBAM 300	300 x 300 x 300 mm
Sciaky	EBAM 110	1100 x 1100 x 900 mm
JEOL	JEM-ARM300F	300 x 300 x 300 mm

Arcam EBM var pionjär när det gäller kommersiella EBM-system. Andra leverantörer har kommit in på senare tid och utökat sin kapacitet när det gäller material och storlekar.

Specifikationer

Typiska specifikationer för EBM-system:

Parameter	Specifikation
Strålkraft	Upp till 12 kW
Accelererande spänning	60 kV
Strålström	Upp till 40 mA
Strålens storlek	200 μm minimum
Skanningshastighet	Upp till 8000 m/s
Fokusförskjutning	Automatisk, inställbar 0-5 mm
Vakuum	5 x 10-4 mbar
Skiktets tjocklek	50-200 μm
Maximal byggstorlek	1100 x 1100 x 900 mm
Repeterbarhet	± 0,2% av bygghöjden

Högre effekt och finare fokus ger skarpare smältbassänger och bättre upplösning av detaljerna. Större byggkuvert underlättar serieproduktion.

Principer för EBM-design

Viktiga principer för utformning av EBM-delar:

• Minimera ytor utan stöd för att förhindra distorsion
• Använd självbärande vinklar över 45° för att undvika stöd
• Utforma interna kanaler för borttagning av osmält pulver
• Räkna med ~20% krympning jämfört med slutdimensionerna för detaljen
• Inkludera texturering för att förbättra pulverflödet i invecklade områden
• Placera delarna för jämn uppvärmning och effektiv packning
• Utforma strukturer för att minimera instängt pulver
• Håll överhäng över 30° för att förhindra dropp
• Använd konforma gitterstöd vid behov

EBM:s designfrihet gör det möjligt att konsolidera enheter till optimerade, lätta monolitiska delar.

Tillämpningar av EBM

EBM är perfekt för:

Flyg- och rymdindustrin samt fordonsindustrin:

• Turbinblad, bränsleinjektorer, strukturella ramar, komplicerade kapslingar

Medicinsk:

• Ortopediska implantat, proteser, kirurgiska verktyg som kräver biokompatibilitet

Industriell:

• Lättviktiga robotkomponenter, delar för vätskehantering som utsätts för korrosion

Försvar:

• Slitstarka, kundanpassade komponenter som kylkanaler och fästen

R&D:

• Nya legeringar, metallmatriskompositer och gitterstrukturer

EBM’s kombination av designfrihet, tekniska egenskaper och tillverkningsekonomi gör det till den process som väljs för kritiska applikationer.

Kostnadsanalys

EBM-system och tillverkningskostnad för delar beror på:

Köp av maskin

• ~800.000 USD för medelstora produktionsmaskiner
• Mångmiljoninvestering för stora system

Materialkostnad

• Pulver kan variera från $100-500/kg
• Vissa legeringar som Ti64 har premiumpriser

Driftskostnad

• Genomsnittlig maskinkostnad ~$50-150/timme
• Arbetskraft för för-/efterbehandling

Storlek på del

• Större delar kräver mer material och byggtid
• Små delar kan byggas ihop för ökad effektivitet

Efterbearbetning

• Värmebehandling, CNC, efterbehandling ökar kostnaderna

Total kostnad per del

• Små delar ~ $20-$50 per kubikcentimeter
• Stora delar ~$5-$15 per kubikcentimeter

Högre utnyttjandegrad genom batchproduktion och nesting sänker kostnaden per detalj.

Processtyrning och optimering

Kritiska processparametrar att kontrollera:

• Kraft - Påverkar smältpoolens storlek, penetration, byggtakt
• Hastighet - Påverkar upplösning, ytfinhet, avlagringsformer
• Fokusförskjutning - Kontrollerar strålform, penetration, defekter
• Skiktets tjocklek - Bestämmer Z-axelns upplösning, byggtid
• Avstånd mellan luckor - Justera för att uppnå önskad densitet, förhindra ballning
• Skanningsstrategi - Ensidiga, öformade konturmönster ger upphov till långvariga spänningar och distorsion
• Förvärm - Förbättrar pulversintring, minskar sprickbildning och skevhet

Experimentplanering i kombination med studier av smältbassänger och mikrostrukturell karakterisering ger underlag för val av parametrar för att uppnå önskade egenskaper.

Efterbearbetning

Typiska steg för efterbehandling av EBM:

• Avlägsnande - Depowdering för att lossa delar från byggplattan
• Stöd för borttagning - Avlägsnande av stödstrukturer vid behov
• Stresslindrande - Värmebehandling för att förhindra sprickbildning
• Ytbehandling - Maskinbearbetning, slipning, polering för att förbättra finishen
• Varm isostatisk pressning - Applicerar värme och tryck för att stänga kvarvarande porer och förbättra densiteten
• Inspektion - Bekräftelse av mått, materialsammansättning, defekter

Att minimera stöd och efterbearbetning är en viktig faktor vid konstruktionen av EBM-detaljer.

Kvalificering och certifiering

EBM-delar som är avsedda för reglerade industrier kräver:

• Provning enligt tillämpliga standarder som ASTM F2924, ASTM F3001 etc.
• Omfattande metrologisk kontroll av kritiska dimensioner och ytkvalitet
• Analys av materialsammansättning genom kemisk analys, mikrostrukturkarakterisering
• Utvärdering av mekaniska egenskaper som drag-, utmattnings- och brottseghetsprovning
• Oförstörande inspektion med hjälp av röntgentomografi, vätskegenomträngande provning etc.
• Dokumentation av full spårbarhet för pulver, byggparametrar, efterbearbetning etc.
• Formell kvalificering och certifiering av delar av relevanta organ

Genom att följa etablerade protokoll och standarder säkerställs att delarna uppfyller de stränga kvalitetskraven.

EBM jämfört med andra metall AM

Fördelar med EBM

• Utmärkta materialegenskaper tack vare snabbare kylning
• Hög produktivitet och låg kostnad per detalj
• Minimalt behov av stödstrukturer
• Opåverkad av restspänningar och distorsion
• Vakuummiljö förhindrar oxidation
• Lägre värmegradienter jämfört med laserprocesser

Begränsningar

• Endast ledande material, begränsade materialalternativ för närvarande
• Fler geometriska begränsningar än laser AM
• Grov ytfinish kräver ofta efterbearbetning
• Utrustningskostnaden är högre än för lasersystem

Framgångsrik implementering av EBM

Nycklar till införande av EBM:

• Utvärdera kraven för komponentapplikationer kontra EBM-kapacitet
• Bedömning av förväntat maskinutnyttjande för att fastställa ROI
• Ta hänsyn till tid/kostnad för efterbearbetning under planeringen
• Samarbeta med erfarna servicebyråer för att minimera inlärningskurvan
• Utnyttja EBM:s konstruktionsexpertis för att omkonstruera delar för optimal tillverkningsbarhet
• Gå från prototyptillverkning till serieproduktion för att maximera produktiviteten
• Implementera robusta kvalitetshanterings- och certifieringsprotokoll

En holistisk implementeringsstrategi gör det möjligt för företag att dra nytta av fördelarna med EBM och bli produktionsledare.

Vanliga frågor

Vilka material används i EBM?

Titanlegeringar, nickel-superlegeringar, verktygsstål, kobolt-krom och rostfritt stål är vanliga. Både standardlegeringar och speciallegeringar som är optimerade för EBM kan tryckas.

Hur ser kostnaden för EBM ut jämfört med andra AM-processer för metall?

EBM-maskiner och pulverråvara är dyrare än laserbaserade AM-system. Men högre bygghastigheter och produktivitet kan kompensera detta för produktionsapplikationer.

Vilka är de viktigaste skillnaderna mellan EBM och selektiv lasersmältning?

Snabbare bygghastigheter, drift vid förhöjd temperatur och utmärkta materialegenskaper utmärker EBM, medan begränsningar i ytfinish och geometrisk frihet är de största nackdelarna.

Vilka typer av efterbearbetning krävs vanligtvis för EBM-delar?

Borttagning av stöd, spänningsavlastande värmebehandling, isostatisk varmpressning och ytbehandling som CNC-bearbetning är vanliga. Minimering av stöd under konstruktionen minskar efterbearbetningen.

Hur stora delar kan byggas med EBM-teknik?

Små bänksystem har byggvolymer under 100 mm kubik medan stora produktionssystem kan ta emot detaljer som är över en meter stora. Den maximala storleken ökar med nyare storformatmaskiner.

Slutsats

EBM&#8217:s unika snabbsmältningskapacitet möjliggör tillverkning av komplicerade metallkomponenter med oöverträffade egenskaper och produktivitet. Utrustningskostnader och materialalternativ har hittills begränsat användningen, men fortsatta framsteg öppnar upp för nya tillämpningar inom flyg-, medicin-, försvars-, fordons- och energisektorerna. EBM’s framtid är ljus eftersom detaljernas kvalitet och tillförlitlighet fortsätter att förbättras samtidigt som metallpulver blir mer tillgängliga och prisvärda. Välinformerade tillverkare som utnyttjar EBM&#8217s fördelar och samtidigt tar hänsyn till dess begränsningar är redo att störa de etablerade aktörerna och bli nya ledare.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser