Introduktion till ebm-processen

Elektronstrålesmältning (EBM) är en additiv tillverkningsprocess som använder en elektronstråle för att selektivt smälta metallpulver lager för lager för att bygga upp helt täta delar. Den här guiden ger en djupgående översikt över EBM-processen inklusive hur det fungerar, material, tillämpningar, fördelar, designöverväganden, utrustning, efterbehandling, kvalitetskontroll, jämförelser, kostnader och vanliga frågor.

Introduktion till smältning med elektronstråle (EBM)

Elektronstrålesmältning är en typ av additiv tillverkning med pulverbäddsfusion där en elektronstråle selektivt smälter samman regioner i en pulverbädd för att konstruera delar skiktvis.

De viktigaste fördelarna med EBM inkluderar:

• Helt täta metalldelar
• Utmärkta mekaniska egenskaper
• Bra ytfinish och upplösning
• Höga bygghastigheter och låga kostnader per detalj
• Minimalt behov av stödstrukturer
• Upprepbara och konsekventa resultat

EBM möjliggör direkt produktion av komplexa, högpresterande metallkomponenter inom flyg-, medicin-, fordons- och industriapplikationer.

Hur EBM-processen fungerar

EBM-processen omfattar följande viktiga steg:

Smältningsprocess med elektronstråle

• CAD-modell uppdelad i skikt
• Pulvret sprids ut i ett tunt lager
• Elektronstrålen skannar och smälter pulver
• Lager som smälts samman med tidigare lager
• Upprepas lagervis tills del byggts
• Osmält pulver stöder del
• Avlägsnande från maskin och efterbearbetning

Genom att selektivt smälta pulverlagren kan komplexa geometrier tillverkas direkt från digitala data.

Material för EBM

EBM kan bearbeta en rad olika ledande material, t.ex:

• Titanlegeringar som Ti6Al4V
• Kobolt-kromlegeringar
• Nickelbaserade superlegeringar
• Verktygsstål som H13
• Aluminiumlegeringar
• Ren koppar
• Ädelmetaller som guld och silver

Både standardlegeringar och speciallegeringar som är optimerade för AM kan skrivas ut med EBM-teknik. Pulverbäddens karaktär gör det möjligt att skriva ut legeringar som inte är så lätta att bearbeta med andra metoder.

EBM-applikationer

EBM är väl lämpat för komponenter som drar nytta av:

• Komplexa geometrier endast möjliga med AM
• Korta ledtider för produktion
• Högt förhållande mellan styrka och vikt
• God utmattnings- och brottbeständighet
• Utmärkta mekaniska egenskaper
• Biokompatibilitet och korrosionsbeständighet
• Hög temperatur prestanda
• Delkonsolidering - minska antalet monteringssteg

Tillämpningar inom industrin inkluderar:

• Flyg- och rymdindustrin: strukturella fästen, turboladdningshjul, motordelar
• Medicin: ortopediska implantat, kirurgiska instrument
• Fordon: lättviktsgitterstrukturer
• Industri: värmeväxlare, delar för flödeshantering

EBM stöder innovativa konstruktioner inom olika sektorer tack vare breda legeringsalternativ och utmärkta mekaniska egenskaper.

Fördelar med additiv tillverkning genom smältning med elektronstråle

Några av de viktigaste fördelarna med EBM-processen är

• Helt täta metalldelar - Uppnår en densitet på 99,9%+ som matchar och överträffar gjutna egenskaper.
• Mekaniska egenskaper - Utmärkt hållfasthet, utmattningshållfasthet, hårdhet och brottmotstånd.
• Hög bygghastighet - Mer än 100 cm3/timme möjligt genom att skanna flera områden samtidigt.
• Låga driftskostnader - Elektricitet är den primära driftskostnaden. Förbrukar mindre energi än laserbaserade processer.
• Minimala stöd - Delarna är självbärande under byggtiden och kräver lite stöd vid borttagning efter bearbetning.
• Pulveråtervinningsbarhet - Oanvänt pulver kan återanvändas, vilket minskar materialkostnaderna avsevärt.
• Minskat avfall - Mycket hög återanvändningsgrad av pulver och produktion av nära nettoform resulterar i mindre spill än bearbetningsprocesser.
• Konsolidering av delar - Kombinera sammansättningar till enstaka tryckta delar för att minska tillverknings- och monteringsstegen.

För metalltillverkning inom flyg, medicin, fordon och industri ger EBM högpresterande resultat inom additiv tillverkning som inte lätt kan matchas med andra metoder.

EBM Design överväganden

För att fullt ut utnyttja fördelarna med EBM bör designen följa AM:s designprinciper:

• Använd organiska, bioniska former som inte är möjliga genom maskinbearbetning
• Minimera stöd genom att utforma lämplig geometri
• Optimera väggtjockleken för balans mellan hastighet och styrka
• Redovisa kapacitet för minsta funktionsstorlek
• Orientera delarna för att maximera upplösningen och de mekaniska egenskaperna
• Konsolidera underenheter till enskilda delar när så är möjligt
• Beakta effekterna av skiktvis tillverkning
• Utforma interna kanaler för borttagning av osmält pulver

Arbeta med erfarna specialister inom AM-teknik för att konstruera högpresterande detaljer som är skräddarsydda för EBM-funktioner.

Utrustning för EBM-processen

EBM-system består av:

• Kolonn med elektronstråle - Kraftfull elektronstråle
• Pulverkassetter - Leverera färskt puder
• Pulverbehållare - Tillför pulver skiktvis
• Bygga tank - Innehåller byggplattform och växande delar
• Vakuumpump - Upprätthåller högt vakuum under byggnationen
• Kontroller - Programvara för att förbereda och övervaka byggnationer

Industriella EBM-system möjliggör både prototyptillverkning och volymproduktion. Bland tillverkarna finns Arcam EBM och GE Additive.

Specifikationer för EBM-maskiner:

• Byggkuvertets storlek - diameter upp till 500 mm, höjd upp till 380 mm
• Stråleffekt - Upp till 3,7 kW
• Strålfokus - ner till 0,1 mm spotstorlek
• Bygghastighet - över 700 cm3/timme möjligt
• Vakuum - Högt vakuum på 10-4 mbar krävs
• Exakt skiktkontroll - 0,05 mm tjocklek

Tillval som flera pulvertankar eller strålkanoner möjliggör högre genomströmning. Byggkammaren hålls under högt vakuum under tryckningen med hjälp av integrerade vakuumpumpar.

EBM efterbehandling

Efter tryckning genomgår delarna en efterbearbetning:

• Avlägsnande av pulver - Överskott av pulver återvinns och siktas för återanvändning
• Stöd för borttagning - Minimal manuell borttagning av stöd behövs
• Värmebehandling - Avspänning och ändring av mikrostrukturen efter behov
• Ytbehandling - Maskinbearbetning, blästring, slipning eller polering om så krävs

Eftersom stödstrukturerna är minimala och hög densitet uppnås direkt från EBM-maskinen är efterbearbetningen relativt okomplicerad jämfört med vissa andra AM-metoder.

Kvalitetskontroll för EBM

Konsekventa resultat av hög kvalitet kräver procedurer som:

• Valideringsbyggnader för att ringa in parametrar och verifiera egenskaper
• Övervakning av pulveregenskaper och återanvändning
• Provning av mekaniska egenskaper för kvalificering
• CT-skanning eller röntgeninspektion av komplexa inre geometrier
• Kontroller av dimensionsnoggrannhet
• Mätning av ytjämnhet
• Dokumentation av byggparametrar och spårbarhet för batcher
• Periodisk kalibrering och underhåll av EBM-utrustning

Arbeta med erfarna leverantörer med rigorösa kvalitetssystem som är skräddarsydda för reglerade sektorer som kräver kvalificering av delar.

Hur EBM står sig i jämförelse med andra additiva metoder

EBM vs SLM:

• EBM använder elektroner medan SLM använder en laser
• EBM har högre bygghastigheter medan SLM ger finare upplösning
• EBM kräver ingen inert gas medan SLM normalt använder kväve
• Båda tillverkar nästan helt täta metalldelar i en pulverbädd

EBM vs Binder Jetting:

• EBM smälter pulver medan bindemedelsjetting limmar ihop partiklarna
• EBM skapar >99% täta detaljer medan bindemedelsjetting ger en "grön" detalj som behöver sintras
• EBM-metaller behåller utmärkta egenskaper medan bindemedelssprutning har lägre prestanda

EBM vs DED:

• EBM använder pulverbädd kontra blåst pulver för DED
• EBM har högre noggrannhet och ytfinhet medan DED är snabbare
• EBM har minimalt stöd medan DED behöver mer stöd

För små till medelstora volymer av metalldelar för slutanvändning konkurrerar EBM fördelaktigt med andra pulverbaserade AM-processer på kostnadssidan.

Kostnadsfördelning för EBM-delar

Vid analys av EBM:s delkostnader är nyckelfaktorerna bland annat

• Kostnader för maskiner - Operativ leasingavgift per timme. Körs ~$100-$300/timme.
• Arbete - Formgivning, optimering, för-/efterbearbetning.
• Pulver - Materialval och återanvändningsgrad påverkar i hög grad kostnaderna.
• Energi - Elektricitet för att driva EBM-maskinen och tillhörande utrustning.
• Kvalitetskontroll - Testgrad beror på applikation.
• Efterbearbetning - Mestadels automatiserad innebär lägre bearbetningskostnader.
• Volym - Upplägg är en fast kostnad som skrivs av vid högre volymer.

Genom att utnyttja EBM:s konstruktionsregler och kvalitetsprocedurer som är skräddarsydda för produktionstillämpningar kan man få mycket kostnadseffektiva metalldelar som inte kan tillverkas på annat sätt.

Innovationstrender inom EBM-teknik

Framsteg inom EBM-teknik och tillämpningar inkluderar:

• Större kuvert och snabbare skanningshastigheter möjliggör produktion av större volymer
• Ny generation multibeamsystem för ökad genomströmning
• Utökade materialalternativ som koppar, aluminium och speciallegeringar
• Automatiserad pulverhantering och intern metrologiutrustning
• Hybridmaskiner för EBM och CNC-bearbetning
• Designprogramvara som integrerar EBM-funktioner för "design för AM"
• Optimering av leveranskedjor med distribuerade tillverkningsmodeller

Dessa innovationer kommer att leda till ökad användning av EBM inom reglerade branscher som uppskattar teknikens kvalitet, konsekvens och prestanda.

VANLIGA FRÅGOR

F: Vilka material kan du bearbeta med EBM?

S: Titan, superlegeringar av nickel, verktygsstål, koboltkrom, aluminium och ädelmetaller är vanliga material. Både standardlegeringar och speciallegeringar som är optimerade för AM kan användas.

F: Vilka branscher använder EBM?

S: Inom flyg-, medicin-, fordons- och industrisektorerna används EBM för högpresterande metalldelar för slutanvändning som inte är lätta att tillverka på konventionellt sätt.

F: Vilken är den typiska ytfinishen?

A: Ytfinishen på den tryckta ytan i Ra-området 15-25 mikrometer är typisk, men kan förbättras ytterligare med efterbearbetning om det behövs.

F: Hur exakt är EBM jämfört med CNC-bearbetning?

S: Dimensionsnoggrannhet inom 0,1-0,3% är standard för EBM-teknik, jämförbar med eller bättre än maskinbearbetad noggrannhet för de flesta funktioner.

F: Vilka typer av invändiga kanaler och geometrier kan produceras?

A: Komplexa friformskanaler och gitter med diametrar ned till 1-2 mm kan tillverkas på ett tillförlitligt sätt med EBM-teknik.

F: Kan man elektroplåta EBM-delar?

S: Ja, EBM-delar kan vara elektriskt ledande och lätt acceptera plätering som krom-, guld- eller silverplätering om så krävs.

F: Är de mekaniska egenskaperna jämförbara med smidda metaller?

S: Ja, EBM-delar uppfyller eller överträffar draghållfasthet, utmattning och brottmotstånd hos motsvarande smidda delar.

Q: Hur lång tid tar det att bygga en komponent?

S: Bygghastigheten är geometriberoende men varierar mellan 5-20 cm3/timme på moderna EBM-maskiner, vilket möjliggör snabba leveranser.

F: Behöver EBM något stöd?

A: Minimala stöd behövs på grund av den höga temperaturen i pulverbädden. Minskar tiden för efterbearbetning.

Fråga: Är EBM miljövänligt?

S: EBM har goda hållbarhetsmeriter tack vare hög återanvändningsgrad för pulver och lågt spill jämfört med subtraktiva processer. Energianvändningen per detalj minskar med utrustning av nyare generation.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser