Przegląd drukarki 3D do topienia wiązką elektronów
Drukarka 3D do topienia wiązką elektronów to technologia wytwarzania przyrostowego powszechnie stosowana do drukowania 3D części metalowych. Wiązka elektronów selektywnie topi proszek metalowy warstwa po warstwie w oparciu o model CAD, tworząc złożone geometrie, które nie mają sobie równych w konwencjonalnej produkcji.
Drukarki 3D EBM oferują korzyści takie jak swoboda projektowania, masowa personalizacja, zmniejszenie ilości odpadów i lekkość. Kluczowe zastosowania znajdują się w przemyśle lotniczym, medycznym, dentystycznym i motoryzacyjnym. Materiały drukowane na systemach EBM obejmują tytan, stopy niklu, stal nierdzewną, aluminium i kobalt-chrom.
Rodzaje drukarek 3D EBM
| Drukarka | Producent | Objętość kompilacji | Grubość warstwy | Moc wiązki |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM Spectra H | GE Additive | 275 x 275 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q10plus | GE Additive | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q20plus | GE Additive | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky Inc. | 1500 x 750 x 750 mm | 150 μm | 30-60 kW |
Proces drukowania EBM
Proces drukowania EBM działa w następujący sposób:
- Metalowy proszek jest równomiernie rozprowadzany na płycie roboczej za pomocą mechanizmu grabiącego
- Wiązka elektronów selektywnie podgrzewa proszek metalu do około 80% jego temperatury topnienia, spiekając cząstki razem
- Wiązka elektronów wykonuje drugie przejście, szybko topiąc materiał zgodnie z geometrią warstwy
- Płyta robocza obniża się i kolejna warstwa proszku jest rozprowadzana na obszarze roboczym.
- Kroki 2-4 są powtarzane do momentu, aż cała część zostanie zbudowana z warstw stopionego metalu.
Elementy sprzętowe drukarki EBM
Drukarki EBM zawierają następujące główne komponenty sprzętowe, które umożliwiają proces drukowania:
- Pistolet elektronowy: Generuje skupioną wiązkę elektronów w celu selektywnego stopienia proszku metalu zgodnie z danymi CAD wprowadzonymi do drukarki. Elektrony są emitowane z katody żarnika wolframowego i przyspieszane do wysokiej energii kinetycznej. Elektromagnesy skupiają i odchylają wiązkę.
- Obsługa proszków: Zbiorniki na proszek przechowują surowiec, który jest zgarniany na płytę roboczą przed każdą warstwą druku. Nadmiar proszku jest zbierany i przesiewany w celu ponownego użycia.
- Budowa zbiornika: Uszczelniona komora, w której topnienie warstwy odbywa się w wysokiej temperaturze w próżni. Funkcje takie jak elementy grzewcze i osłony termiczne utrzymują temperaturę do 1000°C w obszarze roboczym.
- System kontroli: Umożliwia sterowanie parametrami roboczymi, takimi jak prędkość, moc wiązki, wzorce skanowania i temperatura, za pomocą oprogramowania interfejsu drukarki. Ułatwia również ładowanie modeli CAD.
Materiały EBM do druku
| Materiał | Typ | Charakterystyka | Zastosowania | Dostawcy | Cena |
|---|---|---|---|---|---|
| Stopy tytanu | Ti-6Al-4V (klasa 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | Doskonały stosunek wytrzymałości do wagi, biokompatybilność, odporność na korozję | Komponenty lotnicze, implanty i urządzenia medyczne | AP&C, Carpenter Technology | $350-$500 za kg |
| Stopy niklu | Inconel 718, Inconel 625, Inconel 939 | Wytrzymałość na wysokie temperatury, odporność na korozję i utlenianie | Części silników lotniczych, sprzęt do wytwarzania energii | Sandvik | $500-$800 za kg |
| Stale nierdzewne | 316L, 17-4PH, 15-5PH, duplex | Wysoka twardość i odporność na zużycie | Żywność/urządzenia medyczne, oprzyrządowanie, motoryzacja | Sandvik, LPW Technology | $90-$350 na kg |
| Chrom kobaltowy | CoCrMo | Doskonała wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na zużycie | Uzupełnienia protetyczne i mosty, implanty medyczne | SLM Solutions | $270-$520 na kg |
| Aluminium | AlSi10Mg | Niska gęstość, dobra przewodność cieplna | Wsporniki lotnicze, części samochodowe | AP&C | $95-$150 na kg |
Zalety druku 3D w technologii EBM
| Parametr | Korzyści |
|---|---|
| Swoboda projektowania | Złożone geometrie, takie jak siatki, kanały wewnętrzne są drukowalne |
| Szybkie prototypowanie | Iteracje tworzone w ciągu dni w porównaniu do tygodni w przypadku tradycyjnych metod |
| Masowa personalizacja | Ta sama drukarka może tworzyć różne spersonalizowane części |
| Wysoka gęstość | Gęsty metal blisko 100% z mechaniką zbliżoną do tradycyjnej produkcji |
| Minimalna obróbka | Zredukowana obróbka końcowa, ponieważ jakość po wydrukowaniu jest całkiem dobra |
| Zmniejszona ilość odpadów | Używanie tylko wymaganej ilości materiału w porównaniu z procesami subtraktywnymi |
| Stała jakość | W pełni zautomatyzowany proces zapewnia powtarzalność w czasie produkcji |
| Zalety związane z kosztami | Oszczędności skali dzięki konsolidacji oprzyrządowania, montażu i logistyki poprzez konsolidację części. |
Ograniczenia drukowania EBM
| Wada | Opis |
|---|---|
| Ograniczenia geometrii | Kąty podparcia ograniczone do około 60°, minimalna grubość ścianki 0,3-0,4 mm |
| Usuwanie proszku | Wewnętrzne kanały lub objętości niewystawione na działanie powietrza zewnętrznego mogą zawierać uwięziony proszek. |
| Okluzje wiązki | Niektóre wklęsłe obszary lub głębokie elementy wewnętrzne mogą być nieosiągalne dla wiązki elektronów |
| Naprężenia termiczne | Szybkie nagrzewanie/chłodzenie podczas przetwarzania może powodować pękanie z powodu gradientów termicznych. |
| Przetwarzanie końcowe | Niektóre wtórne operacje wykończeniowe są nadal potrzebne w celu uzyskania gładszych powierzchni lub ściślejszych tolerancji. |
| Ograniczenia rozmiaru kompilacji | Nie można drukować elementów większych niż wymiary koperty drukarki |
| Wysoki koszt sprzętu | Drukarki $500,000+, ograniczają przyjęcie przez mniejsze firmy i użytkowników indywidualnych |
Podział kosztów
Poniżej przedstawiono porównanie kosztów wykonania 10-kobaltowo-chromowych uzupełnień protetycznych na drukarce Arcam EBM:
| Wydatki | Razem ($) | Na jednostkę ($) |
|---|---|---|
| Amortyzacja drukarki | $2,000 | $200 |
| Materiał (proszek CoCrMo) | $1,500 | $150 |
| Praca | $100 | $10 |
| Łącznie | $3,600 | $360 |
W przeciwieństwie do tego, outsourcing produkcji wzorów woskowych + odlewanie metodą traconego wosku dla 10 jednostek kosztowałoby $600 za jednostkę - tak więc EBM oferuje znaczną redukcję kosztów jednostkowych, zwłaszcza przy wyższych wolumenach.
Drukarka 3D do topienia wiązką elektronów Dostawcy
Do wiodących producentów sprzętu do drukarek EBM i dostawców materiałów proszkowych należą:
| Firma | Lokalizacja siedziby głównej | Oferowane modele drukarek | Obsługiwane materiały |
|---|---|---|---|
| Dodatki GE | Kanada | Arcam EBM Spectra, seria Q | Ti-6-4, Inconel, CoCr, więcej |
| Sciaky Inc. | Stany Zjednoczone | Seria EBAM 300 | Stopy tytanu, stale, aluminium |
| SLM Solutions | Niemcy | NIE DOTYCZY | CoCr, stal nierdzewna, więcej |
| Technologia Carpenter | Stany Zjednoczone | NIE DOTYCZY | Ti-6-4, stopy Inconel, stale nierdzewne |
| Technologia LPW | Wielka Brytania | NIE DOTYCZY | Stopy niklu, proszki stopów aluminium |
| Sandvik | Szwecja | NIE DOTYCZY | Proszki metali Osprey® dla EBM |
Średni koszt systemu wynosi od $500,000 do $1 miliona, wliczając w to sprzęt pomocniczy, taki jak stacje usuwania proszku. Ceny materiałów wahają się od $100 za kg aluminium do $800 za kg specjalistycznych nadstopów niklu.
Drukarka 3D do topienia wiązką elektronów Normy i certyfikaty
Kluczowe normy związane z jakością, specyfikacjami i kontrolą procesu dla systemów topienia wiązką elektronów obejmują:
| Standard | Opis |
|---|---|
| ISO 17296-2 | Produkcja addytywna metali - proces, materiały i geometrie |
| ASTM F2971 | Standardowa praktyka produkcji części metalowych metodą EBM |
| ASTM F3184 | Standard kwalifikacji sprzętu EBM |
| ASME BPVC Sec II-C | Definiuje zatwierdzone specyfikacje materiałów EBM |
Zarówno sprzęt EBM, jak i system jakości producenta mogą być certyfikowane zgodnie z normą ISO 9001. W przypadku zastosowań lotniczych zastosowanie mają dodatkowe specyfikacje, takie jak AS9100D.
Topienie wiązką elektronów a inne metody AM
| Parametr | Topienie wiązką elektronów | Laserowa fuzja łoża proszkowego | Ukierunkowane osadzanie energii |
|---|---|---|---|
| Źródło ciepła | Przyspieszona wiązka elektronów | Laser światłowodowy Yb dużej mocy | Laser zogniskowany lub wiązka elektronów |
| Atmosfera | Próżnia | Gaz obojętny | Powietrze lub gaz obojętny |
| Metoda skanowania | Rastrowanie skupionego punktu | Rastering skupionej plamki lasera | Rastering lub pojedynczy punkt |
| Szybkość osadzania | 4-8 cm$^3$/godz. | 4-20 cm$^3$/godz. | 10-100 cm$^3$/godz. |
| Dokładność | ± 0,1-0,3 mm lub ± 0,002 mm/mm | Do ±0,025 mm lub ± 0,002 mm/mm | > 0,5 mm |
| Wykończenie powierzchni | 15 μm Ra, 50 μm Rz | Chropowatość do 15 μm | Chropowatość > 25 μm |
| Koszt za część | Średni | Średni | Najniższy |
Zastosowania Drukarka 3D do topienia wiązką elektronów
Ze względu na zdolność do wytwarzania złożonych geometrii w różnych metalach o wysokiej wydajności, topienie wiązką elektronów znajduje zastosowanie w takich branżach jak:
Aerospace: Lekkie komponenty lotnicze, takie jak wsporniki i rozpórki ze stopów tytanu i niklu, zapewniają korzyści w zakresie oszczędności paliwa. EBM umożliwia również konsolidację kanałów prowadzenia płynów i elementów montażowych w pojedynczych częściach.
Medycyna i stomatologia: Implanty kobaltowo-chromowe i tytanowe o porowatych powierzchniach, które sprzyjają osteointegracji, można dostosować do anatomii pacjenta za pomocą EBM. Znaczna personalizacja i redukcja odpadów w porównaniu z tradycyjnymi rozmiarami i kształtami implantów.
Motoryzacja: Lekkie części, takie jak aluminiowe lub tytanowe pokrywy zaworów i zaciski hamulcowe, zmniejszają masę pojazdu, zapewniając lepszą oszczędność paliwa. Krótkie serie niestandardowych kół turbosprężarek zoptymalizowanych pod kątem zastosowań wyścigowych są również ekonomicznie opłacalne.
Oprzyrządowanie: Konformalne kanały chłodzące mogą być wbudowane w oprzyrządowanie formy wtryskowej, aby przyspieszyć czas cyklu. Szybka realizacja 10-20 iteracji układu kanałów chłodzących możliwa dzięki EBM w porównaniu z tygodniami w przypadku metod konwencjonalnych.
Najczęściej zadawane pytania
| Pytanie | Odpowiedź |
|---|---|
| Jak wypada porównanie dokładności części między EBM a tradycyjnymi procesami produkcyjnymi? | Dokładność wymiarowa i tolerancje do ±0,1 mm są możliwe dla EBM, porównywalne z limitami odlewania i kucia. Obróbka CNC pozwala w razie potrzeby uzyskać dokładniejsze tolerancje ±0,01 mm. |
| Czy szorstkie wykończenie powierzchni nadruku EBM wymaga obróbki końcowej? | Tak, efekt warstwowych schodów powoduje zwykle chropowatość 10-15 μm. W razie potrzeby bębnowanie, polerowanie, śrutowanie lub obróbka skrawaniem zapewnia gładsze wykończenie do 0,5 μm. |
| Czy do EBM można użyć dowolnego stopu metalu, czy też niektóre kompozycje są nieodpowiednie? | Stopy podatne na pękanie w stanie stałym w wyniku naprężeń termicznych mogą okazać się wyzwaniem - należy unikać bardzo wysokich współczynników rozszerzalności powyżej 15 μm/(m ̊C). |
| Jaki jest główny kompromis między procesami syntezy termojądrowej z wykorzystaniem lasera i wiązki elektronów? | Lasery oferują szybsze tempo tworzenia do 100 cm$^3$/godzinę, ale maksymalna moc wiązki jest ograniczona do 1 kW. Mocniejsze wiązki o mocy 8-60 kW umożliwiają głębszą penetrację gęstych metali przy wyższej wydajności energetycznej. |
Podsumowanie
Topienie wiązką elektronów wykorzystuje skoncentrowaną wiązkę elektronów o dużej mocy w próżni do selektywnego łączenia cząstek proszku metalowego warstwa po warstwie, aż do uzyskania w pełni zwartych części. Drukarki EBM 3D tworzą bardzo złożone geometrie, niespotykane w żadnej innej technologii, umożliwiając personalizację, zmniejszenie masy i konsolidację części w różnych branżach, od urządzeń medycznych po komponenty lotnicze. Chociaż maksymalna objętość wydruku jest ograniczona w porównaniu z innymi metalowymi technikami addytywnymi lub konwencjonalnymi, topienie wiązką elektronów otwiera nowe możliwości projektowe i zwinne podejścia do produkcji, które wcześniej nie były możliwe.
