Обзор Электронно-лучевая плавка 3d-принтера
Электронно-лучевая плавка 3d принтер это технология аддитивного производства, обычно используемая для 3D-печати металлических деталей. Электронный луч избирательно плавит металлический порошок слой за слоем на основе CAD-модели для создания сложных геометрических форм, не имеющих аналогов в традиционном производстве.
3D-принтеры EBM предлагают такие преимущества, как свобода проектирования, массовая кастомизация, уменьшение количества отходов и облегчение веса. Основные области применения - аэрокосмическая, медицинская, стоматологическая и автомобильная промышленность. Материалы, напечатанные на системах EBM, включают титан, никелевые сплавы, нержавеющую сталь, алюминий и кобальт-хром.
Типы 3D-принтеров EBM
| Принтер | Производитель | Строительный объем | Толщина слоя | Мощность луча |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM Spectra H | GE Additive | 275 x 275 x 380 мм | 50 мкм | 3 кВт |
| Arcam Q10plus | GE Additive | ø350 x 380 мм | 50 мкм | 3 кВт |
| Arcam Q20plus | GE Additive | ø350 x 380 мм | 50 мкм | 6 кВт |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky Inc. | 1500 x 750 x 750 мм | 150 мкм | 30-60 кВт |
Процесс печати EBM
Процесс печати EBM происходит следующим образом:
- Металлический порошок равномерно распределяется по рабочей пластине с помощью ракельного механизма
- Электронный луч избирательно нагревает металлический порошок до температуры около 80% температуры плавления, спекая частицы вместе.
- Электронный луч совершает второй проход, быстро расплавляя материал в соответствии с геометрией слоя.
- Плита опускается, и на область построения наносится еще один слой порошка
- Шаги 2-4 повторяются до тех пор, пока вся деталь не будет собрана из слоев расплавленного металла
Аппаратные компоненты принтера EBM
Принтеры EBM содержат следующие основные аппаратные компоненты, обеспечивающие процесс печати:
- Электронная пушка: Генерирует сфокусированный электронный луч для выборочного расплавления металлического порошка в соответствии с данными CAD, введенными в принтер. Электроны испускаются из катода с вольфрамовой нитью и ускоряются до высокой кинетической энергии. Электромагниты фокусируют и отклоняют луч.
- Обработка порошка: В бункерах для порошка хранится сырье, которое ссыпается на печатную форму перед каждым слоем печати. Пересыпанный порошок собирается и просеивается для повторного использования.
- Постройте танк: Герметичная камера, в которой происходит плавление слоев при высокой температуре в вакууме. Такие элементы, как нагревательные элементы и тепловые экраны, поддерживают температуру до 1000°C в зоне сборки.
- Система управления: Позволяет управлять такими рабочими параметрами, как скорость, мощность луча, шаблоны сканирования и температура, через программное обеспечение интерфейса принтера. Также облегчает загрузку моделей CAD.
Печатные материалы EBM
| Материал | Тип | Характеристики | Приложения | Поставщики | Цена |
|---|---|---|---|---|---|
| Титановые сплавы | Ti-6Al-4V (марка 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | Отличное соотношение прочности и веса, биосовместимость, коррозионная стойкость | Аэрокосмические компоненты, медицинские имплантаты и устройства | AP&C, Carpenter Technology | $350-$500 за кг |
| Никелевые сплавы | Инконель 718, Инконель 625, Инконель 939 | Высокая температурная прочность, устойчивость к коррозии и окислению | Запчасти для аэрокосмических двигателей, энергетическое оборудование | Sandvik | $500-$800 за кг |
| Нержавеющие стали | 316L, 17-4PH, 15-5PH, дуплекс | Высокая твердость и износостойкость | Пищевые/медицинские приборы, инструменты, автомобильная промышленность | Sandvik, LPW Technology | $90-$350 за кг |
| Кобальтовый хром | CoCrMo | Отличная усталостная прочность и износостойкость | Зубные коронки и мосты, медицинские имплантаты | Решения SLM | $270-$520 за кг |
| Алюминий | AlSi10Mg | Низкая плотность, хорошая теплопроводность | Аэрокосмические кронштейны, автомобильные детали | AP&C | $95-$150 за кг |
Преимущества 3D-печати EBM
| Параметр | Выгода |
|---|---|
| Свобода дизайна | Сложные геометрические формы, такие как решетки, внутренние каналы, поддаются печати |
| Быстрое прототипирование | Итерации создаются за несколько дней по сравнению с неделями при использовании традиционных методов |
| Массовая персонализация | Один и тот же принтер может изготавливать различные персонализированные детали |
| Высокая плотность | Около 100% плотного металла с механическими характеристиками, приближающимися к традиционному производству |
| Минимальная обработка | Уменьшение количества отделочных работ, так как качество печати достаточно хорошее |
| Сокращение отходов | Использование только необходимого количества материала по сравнению с субтрактивными процессами |
| Неизменное качество | Полностью автоматизированный процесс обеспечивает повторяемость сборки |
| Преимущества стоимости | Экономия на масштабе за счет консолидации оснастки, сборки, логистики путем объединения деталей |
Ограничения печати EBM
| Недостаток | Описание |
|---|---|
| Ограничения геометрии | Опорные углы ограничены свесами 60°, минимальная толщина стенок 0,3-0,4 мм |
| Удаление порошка | Внутренние каналы или объемы, не подвергающиеся воздействию наружного воздуха, могут задерживать порошок |
| Окклюзии луча | Некоторые вогнутые области или глубокие внутренние элементы могут быть недоступны для электронного луча |
| Термические напряжения | Быстрое нагревание/охлаждение во время обработки может привести к растрескиванию из-за тепловых градиентов |
| Постобработка | Для получения более гладких поверхностей или более жестких допусков все еще необходимы некоторые операции вторичной отделки |
| Ограничения по размеру сборки | Компоненты, размеры которых превышают размеры конверта принтера, не могут быть напечатаны |
| Высокая стоимость оборудования | Принтеры $500,000+, ограничивают использование небольшими фирмами и индивидуальными пользователями |
Распределение затрат
Ниже приведено сравнение стоимости изготовления 10-кобальтовых хромированных зубных корон на принтере Arcam EBM:
| Расходы | Итого ($) | За единицу ($) |
|---|---|---|
| Амортизация принтера | $2,000 | $200 |
| Материал (порошок CoCrMo) | $1,500 | $150 |
| Труд | $100 | $10 |
| Всего | $3,600 | $360 |
В отличие от этого, изготовление восковой модели + литье по выплавляемым моделям для 10 изделий обойдется в $600 за единицу - таким образом, EBM предлагает значительное снижение стоимости единицы продукции, особенно при больших объемах.
Электронно-лучевая плавка 3d принтер Поставщики
Среди ведущих производителей оборудования для EBM-принтеров и поставщиков металлических порошковых материалов можно назвать следующих:
| Компания | Расположение штаб-квартиры | Предлагаемые модели принтеров | Поддерживаемые материалы |
|---|---|---|---|
| Присадки GE | Канада | Arcam EBM Spectra, серия Q | Ti-6-4, Inconel, CoCr и др. |
| Sciaky Inc. | Соединенные Штаты | Серия EBAM 300 | Титановые сплавы, стали, алюминий |
| Решения SLM | Германия | Н/Д | CoCr, нержавеющая сталь, многое другое |
| Технология столярных работ | Соединенные Штаты | Н/Д | Ti-6-4, сплавы Inconel, нержавеющие стали |
| Технология LPW | Великобритания | Н/Д | Никелевые сплавы, порошки алюминиевых сплавов |
| Sandvik | Швеция | Н/Д | Металлические порошки Osprey® для EBM |
Средняя стоимость системы составляет от $500 000 до $1 млн, включая вспомогательное оборудование, например, станции удаления порошка. Материалы варьируются от $100 за кг для алюминия до $800 за кг для специальных никелевых суперсплавов.
Электронно-лучевая плавка 3d принтер Стандарты и сертификаты
Ключевые стандарты, связанные с качеством, спецификациями и контролем процесса для систем электронно-лучевой плавки, включают в себя:
| Стандарт | Описание |
|---|---|
| ISO 17296-2 | Аддитивное производство металлов - процесс, материалы и геометрия |
| ASTM F2971 | Стандартная практика производства металлических деталей методом EBM |
| ASTM F3184 | Стандарт для квалификации оборудования EBM |
| ASME BPVC Sec II-C | Определяет утвержденные спецификации материалов EBM |
Оборудование EBM и система качества производителя могут быть сертифицированы по стандарту ISO 9001. Для аэрокосмических применений применяются дополнительные спецификации, например AS9100D.
Электронно-лучевое плавление по сравнению с другими видами AM металлов
| Параметр | Электронно-лучевая плавка | Лазерная наплавка порошкового слоя | Направленное энергетическое осаждение |
|---|---|---|---|
| Источник тепла | Ускоренный электронный луч | Волоконный лазер Yb высокой мощности | Сфокусированный лазер или электронный луч |
| Атмосфера | Вакуум | Инертный газ | Воздух или инертный газ |
| Метод сканирования | Растрирование сфокусированного пятна | Растеризация сфокусированного лазерного пятна | Растрирование или одиночное пятно |
| Скорость осаждения | 4-8 см$^3$/час | 4-20 см$^3$/час | 10-100 см$^3$/час |
| Точность | ± 0,1-0,3 мм или ± 0,002 мм/мм | До ±0,025 мм или ±0,002 мм/мм | > 0,5 мм |
| Отделка поверхности | 15 мкм Ra, 50 мкм Rz | Шероховатость до 15 мкм | Шероховатость > 25 мкм |
| Стоимость одной детали | Средний | Средний | Самый низкий |
Применение Электронно-лучевая плавка 3d принтер
Благодаря своей способности создавать сложные геометрические формы из различных высокоэффективных металлов, электронно-лучевая плавка находит применение в таких отраслях, как:
Аэрокосмическая промышленность: Облегчение аэрокосмических компонентов, таких как кронштейны и стойки из титановых и никелевых сплавов, позволяет повысить топливную эффективность. EBM также позволяет объединить каналы для подачи жидкости и элементы крепления в отдельные детали.
Медицина и стоматология: Кобальт-хромовые и титановые имплантаты с пористой поверхностью, способствующей остеоинтеграции, могут быть адаптированы к анатомии пациента с помощью EBM. Значительная индивидуализация и сокращение отходов по сравнению с традиционными стандартными размерами и формами имплантатов.
Автомобили: Облегченные детали, такие как алюминиевые или титановые клапанные крышки и тормозные суппорты, снижают вес автомобиля, что позволяет улучшить топливную экономичность. Короткие партии турбокомпрессоров, оптимизированных для гонок, также экономически выгодны.
Оснастка: Конформные каналы охлаждения могут быть встроены в оснастку для литья под давлением для ускорения времени цикла. Быстрое выполнение 10-20 итераций компоновки каналов охлаждения возможно при использовании EBM по сравнению с неделями при использовании традиционных методов.
Вопросы и ответы
| Вопрос | Отвечать |
|---|---|
| Как сравнивается точность деталей при использовании EBM и традиционных производственных процессов? | Точность размеров и допуски до ±0,1 мм возможны для EBM, что сопоставимо с предельными значениями для литья и ковки. При необходимости обработка с ЧПУ позволяет достичь более жестких допусков ±0,01 мм. |
| Требуется ли последующая обработка грубой поверхности, полученной в результате печати EBM? | Да, эффект слоистой лестницы обычно вызывает шероховатость 10-15 мкм. При необходимости галтовка, полировка, дробеструйная обработка или механическая обработка дают более гладкую поверхность до 0,5 мкм. |
| Можно ли использовать для EBM любой металлический сплав или определенные составы не подходят? | Сплавы, склонные к растрескиванию в твердом состоянии под действием термических напряжений, могут оказаться сложными - следует избегать очень высоких коэффициентов расширения, превышающих 15 мкм/(м ̊C). |
| В чем заключается основной компромисс между лазерным и электронно-лучевым процессами порошковой плавки? | Лазеры обеспечивают более высокую скорость наращивания - до 100 см$^3$/час, но максимальная мощность луча ограничена 1 кВт. Более мощные электронные лучи мощностью 8-60 кВт обеспечивают более глубокое проникновение в плотные металлы с более высокой энергоэффективностью. |
Резюме
Электронно-лучевое плавление использует концентрированный мощный пучок электронов в вакууме для выборочного послойного сплавления частиц металлического порошка до образования полностью плотных деталей. 3D-принтеры EBM создают очень сложные геометрии, не сравнимые ни с одной другой технологией, что делает возможным изготовление деталей на заказ, облегчение и объединение деталей в различных отраслях промышленности - от медицинского оборудования до аэрокосмических компонентов. Хотя максимальные объемы печати ограничены по сравнению с другими технологиями аддитивной обработки металлов или традиционными технологиями, электронно-лучевое плавление открывает новые возможности проектирования и гибкие производственные подходы, которые ранее не были возможны.
