Utrustning för smältning med elektronstråle

Översikt över Utrustning för smältning med elektronstråle Teknik

Elektronstrålesmältningsutrustning är en additiv tillverkningsteknik som används för att smälta samman metallpulver lager för lager med hjälp av en högeffektselektronstråle i en vakuummiljö. EBM-utrustning erbjuder kapacitet som inte kan överträffas av andra 3D-utskriftsmetoder för metall när det gäller bygghastighet, deldensitet, restspänning och mekaniska egenskaper.

De viktigaste egenskaperna hos smältningstekniken med elektronstråle är

Tabell 1: Översikt över egenskaper för smältning med elektronstråle

EBM-maskinerna smälter snabbt samman ledande material till helt täta komponenter med materialegenskaper som är likvärdiga med eller bättre än traditionella tillverkningsmetoder.

Den kontrollerade vakuummiljön och den intelligenta energitillförseln minimerar problem med oxidation eller kontaminering under bearbetningen. Detta möjliggör mycket höga densiteter och utmärkt strukturell integritet som är perfekt för kritiska applikationer.

Genom att utnyttja hög strålstyrka för snabba skanningshastigheter över varje lager möjliggör EBM extremt snabba bygghastigheter som inte kan uppnås med laserbaserade system. Denna produktivitetsfördel är en viktig drivkraft för att införa tekniken.

Typer av Utrustning för smältning med elektronstråle System

Det finns flera kategorier av EBM-utrustning på marknaden som erbjuder olika byggstorlekar, strålstyrkor och produktionskapaciteter anpassade till olika tillämpningar.

Tabell 2: Typer av utrustning för smältning med elektronstråle

Större utrustningsstorlekar möjliggör större komponenter för branscher som flyg- och fordonsindustrin för att minska antalet monteringsdetaljer. Mindre maskiner med lägre effekt är inriktade på högvärdiga applikationer inom medicin- och dentalsektorerna.

De flesta EBM-systembyggare erbjuder modulära maskinarkitekturer för att skala kapacitet, strålningseffekt och byggvolym i takt med att kundernas användning och applikationskrav utvecklas över tiden.

Grundläggande teknik för smältning med elektronstråle

De viktigaste delsystemen och processtegen som ingår i additiv tillverkning med elektronstråle är

Tabell 3: Översikt över grundläggande principer för smältning med elektronstråle

En EBM-maskin kräver integrerad drift av dessa delsystem för att effektivt kunna tillverka detaljer lager för lager av metallpulver:

• Höghastighetsavböjning av strålen styr de smälta områdena exakt över varje pulverbäddslager
• Vakuum avlägsnar gasformiga föroreningar och förhindrar oxidation/nitrering av materialet
• Pulversträngläggare sprider effektivt färskt material och säkerställer densitet
• Sensorer med sluten slinga ger återkoppling som säkerställer dimensionell noggrannhet
• Robusta datorstyrningar samordnar varje aspekt av byggprocessen

Den unika kombinationen av ett rent metallpulver med en högintensiv energikälla i en vakuumkammare möjliggör mycket snabb smältning och stelning för exceptionella metallurgiska egenskaper.

Genom att förstå dessa grundläggande principer kan köparna lättare välja utrustning som är optimerad för deras mål, oavsett om det gäller att maximera produktiviteten, kvaliteten på detaljerna, driftskostnaderna eller applikationskraven.

Specifikationer för smältmaskiner med elektronstråle

Det finns många prestandadrivande specifikationer som inköpare måste ta hänsyn till när de väljer den EBM-utrustning som bäst passar deras produktionsbehov och driftsförhållanden.

Tabell 4: Viktiga specifikationer för utrustning för smältning med elektronstråle

Genom att förstå specifikationer som strålstyrka, skanningshastighet, spotstorlek och minsta skikttjocklek kan man välja en lämplig maskin för den avsedda applikationen och genomströmningsmålen.

Andra viktiga faktorer som påverkar valet av system omfattar:

• Programvara för styrning: Funktioner för effektiv bygguppsättning, optimeringsverktyg för parameterutveckling, övervaknings-/analysfunktioner och kompatibilitet med digitala CAD/CAM-arbetsflöden i efterföljande led.
• Materialpalett: Antalet kvalificerade material som finns tillgängliga från OEM-tillverkaren avgör vilka applikationer som utrustningen kan användas till. Prioriterade metallval inkluderar titan, nickel-superlegeringar, verktygsstål, rostfritt stål, koboltkrom och aluminium.
• Kompletterande utrustning: Krav på kompletterande pulverhanteringsverktyg, efterbehandlingsstationer, siktverktyg, extern värmebehandling, HIP-ugnar och pulveråtervinningssystem.
• Tjänster: Värdet av underhållsavtal, hjälp med optimering av applikationer, utbildningstjänster för operatörer och bestämmelser om flyttning av utrustning.

En noggrann utvärdering av maskinspecifikationerna mot nuvarande och framtida produktionskrav underlättar lämpliga investeringsbeslut i EBM-kapacitet.

Översikt över ekonomin i smältprocessen med elektronstråle

Bortsett från rena anskaffningskostnader för utrustning behöver tillverkningsföretag realistiska prognoser för hela produktionsekonomin i samband med att EBM-tekniken tas i drift.

Tabell 5: Sammanfattning av EBM:s bearbetningsekonomi

Med maskinpriser som sträcker sig från cirka 1.4.800.000TP för startsystem upp till 1.4.2.500.000TP för stora industriella lösningar, utgör utrustningen bara en del av den totala investeringsekvationen.

Andra viktiga variabler som påverkar rörelseresultatet och beräkningen av avkastningen på investeringar omfattar:

• Användning av material: Pulver är upp till 30% av den totala delkostnadsposten, optimera strategier för inköp och tillverkning samt återanvändningsgrad.
• Arbete: Manuell kontra automatiserad hantering av pulver/detaljer påverkar personalbehovet. Optimera tillverkningen för att maximera den obemannade körtiden.
• Anläggning: Kostnaderna för installation, energi, miljökontroll och extrautrustning ökar. Räkna även med kostnader för säkerhet, verktyg och efterlevnad.
• Underhåll: Förebyggande underhåll är avgörande för drifttid, produktionskvalitet och utrustningens livslängd. Väg OEM-alternativ mot interna servicealternativ.

Genom att analysera dessa kostnadsfaktorer innan EBM-kapacitet anskaffas underlättas en realistisk affärsplanering. Modellering av scenarier för delproduktion med hjälp av faktiska prestandadata förbättrar insynen i finansiella risker och lönsamhetsutsikter.

Populära material för smältning med elektronstråle

Den höga strålningsintensiteten och vakuummiljön gör EBM lämplig för bearbetning av reaktiva och eldfasta legeringar som är svåra att smälta med andra additiva metoder eller gjutningsprocesser.

Tabell 6: Vanliga material som används vid smältning med elektronstråle

De mest populära materialen för EBM är fortfarande titanlegeringar för lätta flyg- och rymdkomponenter, nickel-superlegeringar för extrem temperaturbeständighet och medicinsk koboltkrom för biokompatibla implantat.

Pulverbäddsfusionens flexibilitet gör att den kan användas för praktiskt taget alla legeringssystem, inklusive reaktiva element som aluminium eller eldfasta metaller som utgör utmaningar vid smältning med traditionella metoder. Detta underlättar innovation inom områden som termisk hantering av elektronik, spektroskopikomponenter och högtemperaturapplikationer över 1000°C.

Tack vare vakuumbearbetningsmiljön som minskar kontamineringsproblemen är materialkvalitet och -integritet mycket fördelaktiga jämfört med konkurrerande AM- eller gjutningsprocesser.

Fördelar med smältningsteknik med elektronstråle

Förutom att EBM möjliggör mycket höga bygghastigheter som inte överträffas av andra pulverbäddstekniker, erbjuder EBM ytterligare fördelar som gör den till den process som väljs för kritiska applikationer inom flyg-, medicin- och industrisektorerna.

Tabell 7: Primära fördelar med smältning med elektronstråle

Specifika exempel där EBM ger värde jämfört med konventionell tillverkning omfattar:

Produktivitet

• Turbinblad i Inconel 718 tillverkas i 10 gånger högre takt än med precisionsgjutningsteknik.
• Tillverkning av upp till 10 höftledsimplantat samtidigt på grund av större tillverkningsvolymer.
• Utnyttjar automatiserad pulverhantering och jobbköer för produktion dygnet runt, alla dagar i veckan.

Prestanda

• Skapar satellitfästen av Ti-6Al-4V med överlägset förhållande mellan styrka och vikt.
• Erbjuder tandbryggor i koboltkrom med överlägsen estetisk finish och noggrannhet.
• Tillverkning av H13-verktyg med konform kylning som ger längre livslängd för formsprutningsverktyg.

Kvalitet

• Uppnå renare materialmikrostrukturer helt fria från mikroporositetsdefekter som är vanliga vid gjutning.
• Säkerställer noll inre spänningar och distorsion tack vare höga förvärmningstemperaturer.
• Förhindra kontaminering i reaktiva material genom att utnyttja högvakuummiljön.

De unika smältförhållandena som möjliggörs med elektronstråletekniken visar sig gång på gång vara den främsta AM-lösningen för högvärdiga applikationer som kräver exceptionell materialprestanda.

Populär EBM Utrustning Leverantörer

En mängd etablerade industriföretag och specialiserade nystartade företag erbjuder lösningar för elektronstrålesmältning som tillgodoser olika kundbehov inom olika marknadssegment.

Tabell 8: Ledande leverantörer av utrustning för smältning med elektronstråle

Andra tillverkare av utrustning som riktar in sig på elektronstråleapplikationer utanför traditionell additiv tillverkning är t.ex:

• Canon - Lösningar för elektronstrålesvetsning
• PTR Group - Elektronstråleugnar och svetsar
• IBE Services - Små elektronstrålesvetsar
• Teta - industriell EB-svetsning med hög effekt

Branschledaren Arcam EBM (nu en del av GE Additive) etablerade en dominerande patent- och marknadsandel efter att ha introducerat den första kommersiella EBM-maskinen 2002. De är fortfarande den främsta leverantören av utrustning till flyg- och rymdindustrin, medicintekniska produkter, fordonsindustrin och industrin.

De flesta leverantörer samarbetar med materialproducenter, forskningsgrupper och slutanvändarorganisationer för att kontinuerligt förbättra EBM-processens kapacitet så att den motsvarar de verkliga produktionskraven. Dessa samarbeten för att förbättra tekniken kommer i slutändan att leda till att ännu fler kritiska industriapplikationer börjar användas framöver.

VANLIGA FRÅGOR

Fråga: Hur stor anläggning behövs för att hysa EBM-utrustning?

S: Minsta golvyta är cirka 100 kvadratmeter för mindre maskiner, men större plattformar på 500+ kvadratmeter är vanliga. Ytterligare 500+ sq. ft är typiskt för kompletterande pulverhantering och efterbearbetningsstationer. Anläggningarna kräver minst 8 fots takhöjd och förstärkning för tung utrustning som väger mer än 12.000 lbs.

F: Vilka material är inte kompatibla med EBM-bearbetning?

A: Aluminiumlegeringar utgör oxidationsrisker utan lämpliga inerta miljöer. Eldfasta metaller med mycket höga smälttemperaturer över 3600°C som volfram eller rhenium är fortfarande olämpliga. Annars passar EBM för de flesta legeringssystem.

Q: Hur många utbildade operatörer krävs det per EBM-maskin?

S: En maskinoperatör kan normalt övervaka flera EBM-maskiner beroende på automationsnivå och produktionsvolymer. Ytterligare personal behövs för pulverhantering, efterbearbetning, kvalitetsaktiviteter, underhåll och teknisk support.

F: Vilka säkerhetsrisker är förknippade med EBM-teknik?

S: Elektronstrålar med hög spänning utgör en risk för ljusbågar och kräver lämpliga kapslingar och säkerhetskontroller. Exponeringsrisker för reaktivt metallpulver kräver också skyddsutrustning och hanteringsprotokoll för brand- och hälsorisker. Korrekt utbildning är avgörande.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser