Översikt över Electron Beam Melting Technology

Smältning med elektronstråle (EBM) är en additiv tillverkningsteknik som vanligtvis används för 3D-utskrift av metall. EBM använder en kraftfull elektronstråle som värmekälla för att selektivt smälta och smälta samman metallpulver lager för lager för att bygga upp helt täta delar direkt från CAD-data.

Jämfört med andra 3D-utskriftsmetoder av metall som laserbaserade processer erbjuder EBM några unika fördelar när det gäller bygghastighet, materialegenskaper, kvalitet och kostnadseffektivitet. Men det har också vissa begränsningar i upplösning, ytfinish och materialalternativ.

Denna guide ger en detaljerad översikt över elektronstrålesmältningsteknik, inklusive:

• Hur EBM fungerar
• Utrustningstyper och huvudkomponenter
• Material och tillämpningar
• Designöverväganden
• Processparametrar
• Fördelar och begränsningar
• Leverantörsjämförelse
• Driftsriktlinjer
• Kostnadsanalys
• Att välja rätt EBM-system

Hur elektronstrålesmältning fungerar

EBM-processen sker i en högvakuumkammare fylld med inert argongas. Metalliskt pulver sprids i tunna lager över en byggplattform med hjälp av krattor. En elektronstråle från en elektronkanon används för att selektivt smälta och smälta samman områden i varje pulverlager enligt skivdata från en CAD-modell.

Byggplattformen sänks stegvis med varje nytt lager. Delar byggs direkt på plattformen utan behov av stödstrukturer på grund av den geometrioberoende karaktären av pulverbäddsfusion. Efter färdigställandet avlägsnas överflödigt pulver för att avslöja den solida 3D-utskrivna delen.

Elektronstrålens höga energitäthet resulterar i snabb smältning och stelning, vilket möjliggör höga uppbyggnadshastigheter. EBM-processen sker vid förhöjda temperaturer upp till 1000°C, vilket minskar kvarvarande spänningar och förvrängningar.

Delar tryckta med EBM uppnår över 99% densitet, med materialegenskaper jämförbara med eller överlägsna traditionell tillverkning.

EBM-utrustningstyper och komponenter

EBM-system innehåller följande huvudkomponenter:

Elektronpistol – genererar en fokuserad stråle av högenergielektroner

Strålkontroll – elektromagneter styr och avleder elektronstrålen

Högspänningsmatning – accelererar elektroner upp till 60kV

Vakuumkammare – ger högvakuummiljö

Pulverdispensering – avsätter och sprider metalliska pulverlager

Pulverkassetter/trattar – lagra och leverera pulver

Bygg plattform – sänks gradvis allt eftersom lager byggs

Värmebatterier – förvärmer pulverbädd upp till 1000°C

Kontrollkonsol – dator och programvara för att styra systemet

Det finns några varianter av kommersiella EBM-maskiner:

Större byggkuvert och högre strålkraft möjliggör snabbare konstruktioner, större delar och högre produktivitet. Mindre maskiner tenderar att ha finare upplösning och ytfinish.

EBM material och applikationer

De vanligaste materialen som används i EBM är:

• Titanlegeringar som Ti-6Al-4V
• Nickelbaserade superlegeringar som Inconel 718, Inconel 625
• Kobolt-krom-legeringar
• Verktygsstål som H13, maråldrat stål
• Aluminiumlegeringar
• Kopparlegeringar
• Rostfria stål som 17-4PH, 316L

Viktiga tillämpningar av EBM inkluderar:

• Aerospace – turbinblad, pumphjul, konstruktionsfästen
• Medicinsk – ortopediska implantat, proteser
• Fordon – motorsportkomponenter, verktyg
• Industriell – vätskehanteringsdelar, värmeväxlare
• Verktyg – formsprutning, pressgjutning, extruderingsformar

Fördelarna med EBM för dessa applikationer inkluderar:

• Hög hållfasthet och utmattningshållfasthet
• Komplexa geometrier med galler och inre kanaler
• Korta ledtider för metalldelar
• Konsolidering av sammansättningar i ett stycke
• Lättvikt och designoptimering
• Delanpassning och personalisering

EBM Design överväganden

EBM inför några designrestriktioner:

• Minsta väggtjocklek på 0,8-1 mm för att förhindra kollaps
• Inga underskärningar eller horisontella överhäng
• 45° max ostödda överhäng
• Öppna inre kanaler med minst 1 mm diameter
• Fina funktioner begränsade till 0,5-1 mm upplösning

Design bör undvika branta termiska gradienter för att minimera kvarvarande spänning:

• Jämn väggtjocklek
• Gradvisa övergångar i snitttjocklek
• Invändiga stöd och galler för stora volymer

Efterbearbetning som bearbetning, borrning och polering kan förbättra ytfinishen.

EBM processparametrar

Viktiga EBM-processparametrar:

• Elektronstråle – Strålström, fokus, hastighet, mönster
• Pulver – Material, lagertjocklek, partikelstorlek
• Temperatur – Förvärm, bygg temp, skanningsstrategi
• Hastighet – Punktavstånd, konturhastighet, luckhastighet

Dessa parametrar styr egenskaper som densitet, precision, ytfinish, mikrostruktur:

Exakt justering av dessa parametrar krävs för att uppnå optimala materialegenskaper och noggrannhet för varje legering.

Fördelar med att smälta elektronstrålen

De viktigaste fördelarna med EBM inkluderar:

• Hög bygghastighet – upp till 80 cm3/h möjlig
• Fullständigt täta delar – över 99% densitet uppnådd
• Utmärkta mekaniska egenskaper – styrka, hårdhet, utmattningsbeständighet
• Hög noggrannhet och repeterbarhet – ±0,2 mm precision
• Minimalt stöd som behövs – minskar efterbearbetningen
• Hög temperatur bygger upp – minskar kvarvarande stress
• Låg kontaminering – vakuummiljö med hög renhet

De snabba skanningshastigheterna resulterar i snabba smältnings- och stelningscykler, vilket skapar finkorniga mikrostrukturer. Den skiktvisa byggmetoden ger delar som är jämförbara med smidesegenskaper.

Begränsningar av elektronstrålesmältning

Nackdelarna med EBM inkluderar:

• Begränsad upplösning – minsta funktionsstorlek ~0,8 mm
• Grov ytfinish – trappstegseffekt, kräver efterbehandling
• Begränsade material – främst Ti-legeringar, Ni-legeringar, CoCr för närvarande
• Hög utrustningskostnad – $350 000 till $1 miljoner+ för maskin
• Långsamma förvärmningstider – 1-2 timmar för att uppnå byggtemperatur
• Kontamineringsrisk – zirkonium kan kontaminera reaktiva legeringar
• Pulverhantering – återvinning, hantering av finpulver
• Krav på siktlinje – horisontella överhäng inte möjliga

Det anisotropa skiktade byggmönstret och "trappstegs"-effekten från sintrade pulverlager skapar synliga ränder på uppåtvända ytor. Elektronstrålen kan bara smälta samman material i direkt siktlinje.

EBM-maskin leverantörer

De stora EBM-utrustningstillverkarna inkluderar:

Arcam EBM-system har den bredaste materialkapaciteten medan Sciaky erbjuder storskaliga produktionslösningar. SLM Solutions och JEOL tillhandahåller också EBM-teknik fokuserad på metaller.

Operativsystem för EBM

Så här använder du en EBM-maskin:

1. Installera EBM-utrustning med rätt ström, kylning, inertgas och frånluftsventilation.
2. Ladda CAD-data och mata in byggparametrar i EBM-programvaran
3. Sikta och ladda metallpulver i kassetter
4. Förvärm pulverbädden till processtemperatur
5. Kalibrera elektronstrålefokus och kraft
6. Börja skiktad konstruktion när strålen skannar och smälter pulver
7. Låt delarna svalna långsamt innan de tas bort från maskinen
8. Ta bort överflödigt pulver med dammsugare
9. Klipp ut delar från byggplåten och utför efterbearbetning

Korrekt pulverhantering och förvaring är avgörande för att undvika kontaminering som kan orsaka defekter. Regelbundet underhåll av strålglödtråden, pulverfiltren och vakuumsystemet är också viktigt.

EBM Processing Cost Analysis

Kostnadsfaktorer för EBM-produktion:

• Maskinell avskrivning – ~15-20% av total delkostnad
• Arbete – maskindrift, efterbearbetning
• Pulver – $100-500/kg för titanlegeringar
• Kraft – hög elanvändning vid byggnation
• Argon – daglig reningsgasförbrukning
• Underhåll – strålkälla, vakuumsystem, krattor
• Efterbearbetning – borttagning av stöd, ytbehandling

Stordriftsfördelar kan uppnås genom att satsa mindre delar i en enda konstruktion. Större maskiner producerar delar snabbare och mer kostnadseffektivt. Den höga initiala systemkostnaden är fördelad på fler delar.

För lågvolymproduktion minimerar outsourcing till en servicebyrå utrustningskostnader.

Hur man väljer ett EBM-system

Viktiga överväganden för att välja en EBM-maskin:

• Bygg kuvert – matcha kraven på delstorlek
• Precision – minsta funktionsstorlek och ytfinishbehov
• Material – legeringar som krävs för applikationer
• Genomströmning – dagliga/månatliga produktionsvolymmål
• Effektkrav – tillgänglig elförsörjningskapacitet
• Programvara – användarvänlighet, flexibilitet, dataformat
• Efterbearbetning – efterbehandlingstid och kostnader
• Utbildning och support – installation, drift, underhåll
• Total kostnad – systempris, driftskostnader, pulver

Genomför testbyggen av provdelar på olika EBM-system för att bedöma faktisk delkvalitet och ekonomi.

Investera i det största byggkuvertet som passar budget och utrymmesbegränsningar för att möjliggöra framtida expansion. Samarbeta med en ansedd leverantör som kan ge fortsatt teknisk support.

VANLIGA FRÅGOR

Fråga: Hur exakt är EBM?

S: Måttnoggrannhet och toleranser på ±0,2 mm är typiska för EBM-delar. Fina egenskaper ner till 0,3 mm är möjliga.

F: Vilka material kan användas i EBM förutom metaller?

S: EBM är begränsat till ledande metallegeringar. Fotopolymerer och keramer kan för närvarande inte bearbetas på grund av elektronstrålens energikälla.

F: Behöver EBM något stöd?

S: EBM kräver inte stödstrukturer för överhäng mindre än 45° på grund av den geometrioberoende karaktären hos pulverbäddsfusion. Minimala inre stöd kan hjälpa till för stora ihåliga sektioner.

F: Vad är ytfinishen?

S: Byggda EBM-delar har relativt grova ytor på grund av pulverlager och skanningsspår. Olika mängder bearbetning, slipning eller polering krävs för att förbättra ytfinishen.

F: Hur dyrt är EBM jämfört med andra 3D-utskriftsprocesser?

S: EBM-utrustning har en högre initialkostnad på $350 000 till över $1 miljon. Men den höga bygghastigheten kan kompensera detta genom att minska delkostnaderna i stor skala. Processkostnaden per del är konkurrenskraftig med andra 3D-utskriftsmetoder av metall.

F: Behövs någon efterbearbetning på EBM-delar?

S: De flesta EBM-delar kommer att behöva lite efterbearbetning som skärning från byggplattan, avspänningsavlastning, ytbearbetning, hålborrning, slipning eller polering för att uppnå den slutliga delens finish, tolerans och utseende. Minimal manuell bättring kan behövas för att bryta skarpa kanter eller minska grovheten.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser