Genel Bakış elektron ışını eritme 3d yazıcı
elektron ışını eritme 3d yazıcı metal parçaların 3D baskısı için yaygın olarak kullanılan bir eklemeli üretim teknolojisidir. Bir elektron ışını, geleneksel üretimde eşi benzeri olmayan karmaşık geometriler oluşturmak için bir CAD modeline dayalı olarak metal tozunu katman katman seçici olarak eritir.
EBM 3D yazıcılar tasarım özgürlüğü, kitlesel özelleştirme, daha az atık ve hafifletme gibi avantajlar sunar. Temel uygulamalar havacılık, tıp, dişçilik ve otomotiv endüstrilerindedir. EBM sistemlerinde basılan malzemeler arasında titanyum, nikel alaşımları, paslanmaz çelik, alüminyum ve kobalt-krom bulunur.
EBM 3D Yazıcı Çeşitleri
| Yazıcı | Üretici firma | Hacim Oluşturun | Katman Kalınlığı | Işın Gücü |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM Spectra H | GE Katkı Maddesi | 275 x 275 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q10plus | GE Katkı Maddesi | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q20plus | GE Katkı Maddesi | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky A.Ş. | 1500 x 750 x 750 mm | 150 μm | 30-60 kW |
EBM Baskı Süreci
EBM baskı süreci aşağıdaki gibi çalışır:
- Metal tozu, bir tırmık mekanizması kullanılarak bir yapı plakası üzerine eşit olarak dağıtılır
- Bir elektron ışını, metal tozunu seçici olarak erime noktasının yaklaşık 80%'sine kadar önceden ısıtarak parçacıkları birbirine sinterler
- Elektron ışını ikinci bir geçiş yaparak malzemeyi katman geometrisine göre hızla eritir.
- Yapı plakası alçalır ve yapı alanı üzerine başka bir toz katmanı yayılır
- 2-4. Adımlar, erimiş metal katmanlarından tam parça oluşana kadar tekrarlanır
EBM Yazıcı Donanım Bileşenleri
EBM yazıcılar, yazdırma işlemini mümkün kılan aşağıdaki ana donanım bileşenlerini içerir:
- Elektron Tabancası: Yazıcıya girilen CAD verilerine göre metal tozunu seçici olarak eritmek için odaklanmış bir elektron ışını üretir. Elektronlar bir tungsten filament katottan yayılır ve yüksek kinetik enerjiye hızlandırılır. Elektromıknatıslar ışını odaklar ve saptırır.
- Toz İşleme: Toz hazneleri, her baskı katmanından önce yapı plakası üzerine taranan hammaddeyi depolar. Taşan toz toplanır ve yeniden kullanım için elenir.
- Tank İnşa Et: Katman eritme işleminin vakumda yüksek sıcaklıkta gerçekleştiği kapalı oda. Isıtma elemanları ve termal kalkanlar gibi özellikler, yapı alanında 1000°C'ye kadar olan ortamları korur.
- Kontrol Sistemi: Hız, ışın gücü, tarama desenleri ve sıcaklık gibi çalışma parametrelerinin yazıcı arayüz yazılımı aracılığıyla kontrol edilmesini sağlar. Ayrıca CAD modellerinin yüklenmesini kolaylaştırır.
EBM Yazdırılabilir Materyaller
| Malzeme | Tip | Özellikler | Uygulamalar | Tedarikçiler | Fiyat |
|---|---|---|---|---|---|
| Titanyum alaşımları | Ti-6Al-4V (derece 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | Mükemmel güç/ağırlık oranı, biyouyumluluk, korozyon direnci | Havacılık ve uzay bileşenleri, tıbbi implantlar ve cihazlar | AP&C, Carpenter Teknolojisi | Kg başına $350-$500 |
| Nikel alaşımları | Inconel 718, Inconel 625, Inconel 939 | Yüksek sıcaklık dayanımı, korozyon ve oksidasyona karşı direnç | Havacılık ve uzay motor parçaları, enerji üretim ekipmanları | Sandvik | Kg başına $500-$800 |
| Paslanmaz çelikler | 316L, 17-4PH, 15-5PH, dubleks | Yüksek sertlik ve aşınma direnci | Gıda/tıbbi cihazlar, takımlar, otomotiv | Sandvik, LPW Teknolojisi | $90-$350 kg başına |
| Kobalt krom | CoCrMo | Mükemmel yorulma dayanımı ve aşınma özellikleri | Dental kopingler ve köprüler, tıbbi implantlar | SLM Çözümleri | $270-$520 kg başına |
| Alüminyum | AlSi10Mg | Düşük yoğunluk, iyi termal iletkenlik | Havacılık ve uzay braketleri, otomotiv parçaları | AP&C | $95-$150 kg başına |
EBM 3D Baskının Avantajları
| Parametre | Fayda |
|---|---|
| Tasarım Özgürlüğü | Kafesler, iç kanallar gibi karmaşık geometriler yazdırılabilir |
| Hızlı Prototipleme | Geleneksel yöntemlerle haftalar yerine günler içinde oluşturulan iterasyonlar |
| Toplu Özelleştirme | Aynı yazıcı çeşitli kişiselleştirilmiş parçalar üretebilir |
| Yüksek Yoğunluk | Geleneksel üretime yaklaşan mekanik özelliklere sahip 100%'ye yakın yoğun metal |
| Minimal İşleme | Baskı kalitesi oldukça iyi olduğu için daha az son işlem |
| Azaltılmış Atık | Eksiltici süreçlere karşı yalnızca gerekli miktarda malzeme kullanın |
| Tutarlı Kalite | Tam otomatik süreç, üretimler üzerinde tekrarlanabilirlik sağlar |
| Maliyet Avantajları | Parça konsolidasyonu yoluyla takım, montaj ve lojistiği birleştirerek ölçek ekonomisi |
EBM Baskısının Sınırlamaları
| Dezavantaj | Açıklama |
|---|---|
| Geometri Kısıtlamaları | Desteklenen açılar yaklaşık 60° çıkıntılarla sınırlıdır, minimum duvar kalınlığı 0,3-0,4 mm |
| Toz Giderme | Dış havaya maruz kalmayan iç kanallar veya hacimler toz tutmuş olabilir |
| Işın Tıkanıklıkları | Bazı içbükey alanlar veya derin iç özellikler elektron ışını için ulaşılamaz olabilir |
| Termal Stresler | İşleme sırasında hızlı ısıtma/soğutma, termal gradyanlar nedeniyle çatlamaya neden olabilir |
| İşlem Sonrası | Daha pürüzsüz yüzeyler veya daha sıkı toleranslar için bazı ikincil finisaj işlemleri hala gereklidir |
| Yapı Boyutu Sınırlamaları | Yazıcı zarf boyutlarından daha büyük bileşenler yazdırılamaz |
| Yüksek Ekipman Maliyeti | $500,000+ yazıcılar, daha küçük firmalar ve bireysel kullanıcılar tarafından benimsenmesini sınırlar |
Maliyet Dağılımı
Arcam EBM yazıcıda 10 kobalt-krom dental koping yapımının maliyet karşılaştırması aşağıda gösterilmiştir:
| Giderler | Toplam ($) | Birim Başına ($) |
|---|---|---|
| Yazıcı Amortismanı | $2,000 | $200 |
| Malzeme (CoCrMo tozu) | $1,500 | $150 |
| İşgücü | $100 | $10 |
| Toplam | $3,600 | $360 |
Buna karşılık, 10 birim için mum kalıp imalatı + kayıp mum dökümü için dış kaynak kullanımı birim başına $600'e mal olacaktır - bu nedenle EBM, özellikle yüksek hacimlerde birim başına önemli maliyet düşüşü sunar.
elektron ışını eritme 3d yazıcı Tedarikçiler
Önde gelen bazı EBM yazıcı ekipmanı üreticileri ve metal tozu malzemesi tedarikçileri şunlardır:
| Şirket | Genel Merkez Konumu | Sunulan Yazıcı Modelleri | Desteklenen Malzemeler |
|---|---|---|---|
| GE Katkı Maddeleri | Kanada | Arcam EBM Spectra, Q Serisi | Ti-6-4, Inconel, CoCr, daha fazlası |
| Sciaky A.Ş. | Birleşik Devletler | EBAM 300 Serisi | Titanyum alaşımları, çelikler, alüminyum |
| SLM Çözümleri | Almanya | N/A | CoCr, paslanmaz çelik, daha fazlası |
| Marangoz Teknolojisi | Birleşik Devletler | N/A | Ti-6-4, Inconel alaşımları, paslanmaz çelikler |
| LPW Teknoloji | Birleşik Krallık | N/A | Nikel alaşımları, alüminyum alaşım tozları |
| Sandvik | İsveç | N/A | EBM için Osprey® metal tozları |
Ortalama sistem maliyeti, toz giderme istasyonları gibi yardımcı ekipmanlar dahil $500,000 ila $1 milyon arasındadır. Malzemeler alüminyum için kg başına $100'den özel nikel süper alaşımları için kg başına $800'e kadar değişmektedir.
elektron ışını eritme 3d yazıcı Standartlar ve Sertifikalar
Elektron ışını eritme sistemleri için kalite, spesifikasyonlar ve süreç kontrolü ile ilgili temel standartlar şunlardır:
| Standart | Açıklama |
|---|---|
| ISO 17296-2 | Metallerin katmanlı üretimi - Süreç, malzemeler ve geometriler |
| ASTM F2971 | EBM ile metalik parçaların üretimi için standart uygulama |
| ASTM F3184 | EBM donanım kalifikasyonu için standart |
| ASME BPVC Sec II-C | Onaylı EBM malzeme özelliklerini tanımlar |
Hem EBM donanımı hem de üretici kalite sistemi ISO 9001 sertifikasına sahip olabilir. Havacılık ve uzay uygulamaları için AS9100D gibi ek spesifikasyonlar geçerlidir.
Elektron Işınıyla Ergitme vs Diğer Metal AM
| Parametre | Elektron Işınıyla Eritme | Lazer Toz Yatağı Füzyonu | Yönlendirilmiş Enerji Biriktirme |
|---|---|---|---|
| Isı Kaynağı | Hızlandırılmış elektron ışını | Yüksek güçlü Yb fiber lazer | Odaklanmış lazer veya e-ışın |
| Atmosfer | Vakum | İnert gaz | Hava veya inert gaz |
| Tarama Yöntemi | Rasterleme odaklı nokta | Rasterleme odaklı lazer noktası | Rasterleme veya tek nokta |
| Biriktirme Oranı | 4-8 cm$^3$/saat | 4-20 cm$^3$/saat | 10-100 cm$^3$/saat |
| Doğruluk | ± 0,1-0,3 mm veya ± 0,002 mm/mm | 0,025 mm veya ± 0,002 mm/mm'ye kadar | > 0,5 mm |
| Yüzey İşlemi | 15 μm Ra, 50 μm Rz | 15 μm'ye kadar pürüzlülük | > 25 μm pürüzlülük |
| Parça Başına Maliyet | Orta | Orta | En düşük |
Uygulamaları elektron ışını eritme 3d yazıcı
Çeşitli yüksek performanslı metallerde karmaşık geometriler üretme kabiliyeti nedeniyle elektron ışını eritme, aşağıdaki gibi endüstrilerde kullanım alanı bulmaktadır:
Havacılık ve uzay: Titanyum ve nikel alaşımlı braketler ve payandalar gibi havacılık bileşenlerinin hafifletilmesi yakıt verimliliği avantajları sunar. EBM ayrıca sıvı yönlendirme kanallarının ve montaj özelliklerinin tek parçada birleştirilmesini sağlar.
Tıbbi ve Dental: Osseointegrasyonu destekleyen gözenekli yüzeylere sahip kobalt krom ve titanyum implantlar, EBM aracılığıyla hasta anatomisine göre uyarlanabilir. Geleneksel stok implant boyutları ve şekillerine kıyasla önemli ölçüde özelleştirme ve atık azaltma.
Otomotiv: Alüminyum veya titanyum supap kapakları ve fren kaliperleri gibi parçaların hafifletilmesi, daha iyi yakıt ekonomisi için araç ağırlığını azaltır. Yarış uygulamaları için optimize edilmiş özel turboşarj jantlarının kısa süreli üretimleri de ekonomik olarak uygulanabilir.
Aletler: Konformal soğutma kanalları, döngü sürelerini hızlandırmak için enjeksiyon kalıp takımına yerleştirilebilir. EBM ile 10-20 soğutma kanalı düzeni yinelemesinden oluşan hızlı geri dönüş, geleneksel yöntemlerle haftalarca mümkündür.
SSS
| Soru | Cevap |
|---|---|
| EBM ve geleneksel üretim süreçleri arasında parça doğruluğu nasıl karşılaştırılır? | EBM için döküm ve dövme limitleriyle karşılaştırılabilir ±0,1 mm'ye kadar boyutsal doğruluk ve toleranslar mümkündür. CNC işleme, gerektiğinde daha dar ±0,01 mm toleranslara ulaşabilir. |
| Kaba EBM as-basılı yüzey kaplaması sonradan işlem gerektiriyor mu? | Evet, katmanlı merdiven etkisi tipik olarak 10-15 μm pürüzlülüğe neden olur. Yuvarlama, parlatma, kumlama veya işleme, gerekirse 0,5 μm'ye kadar daha pürüzsüz yüzeyler sağlar. |
| EBM için herhangi bir metal alaşımı kullanılabilir mi yoksa belirli bileşimler uygun değil midir? | Termal gerilmelerden kaynaklanan katı hal çatlamasına eğilimli alaşımlar zorlayıcı olabilir - 15 μm/(m ̊C) üzerindeki çok yüksek genleşme katsayılarından kaçınılmalıdır. |
| Lazer ve elektron ışını toz yatağı füzyon süreçleri arasındaki temel denge nedir? | Lazerler 100 cm$^3$/saate kadar daha hızlı yapı hızları sunar ancak maksimum ışın gücü 1 kW ile sınırlıdır. Daha güçlü 8-60 kW e-ışınları, daha yüksek enerji verimliliği ile yoğun metallerde daha derin penetrasyon sağlar. |
Özet
Elektron ışını eritme, tamamen yoğun parçalar oluşana kadar metal toz parçacıklarını katman katman seçici olarak kaynaştırmak için vakumda konsantre, yüksek güçlü bir elektron ışını kullanır. EBM 3D yazıcılar, başka hiçbir teknolojide görülmeyen son derece karmaşık geometriler oluşturarak tıbbi cihazlardan havacılık bileşenlerine kadar tüm sektörlerde özelleştirme, hafifletme ve parça konsolidasyonunu mümkün kılar. Diğer metal katkılı veya geleneksel tekniklere kıyasla maksimum baskı hacimleri sınırlı olsa da elektron ışını eritme, daha önce mümkün olmayan yeni tasarım olanaklarının ve çevik üretim yaklaşımlarının önünü açar.
