Достижения в 3D-печати металла: плавление электронного пучка (ebm) и его промышленное использование

Электронное пучкоплавление: инженерия будущего металлоприсадочного производства

Ландшафт промышленного производства был изменен аддитивными технологиями, в частности металлической 3D-печатью, которая теперь позволяет производить детали, которые ранее невозможно было создать с помощью обычных субтрактивных методов. Среди самых передовых процессов металлического аддитивного производства является электронно-лучевое плавление (EBM), технология синтеза порошкового слоя, которая использует высокоэнергетический электронный пучок для создания полностью плотных, сложных металлических компонентов. В отличие от лазерных систем, которые доминируют на рынке, EBM приносит уникальные преимущества, особенно для реактивных и высокопроизводительных сплавов, что делает его незаменимым в аэрокосмической, медицинской и энергетической отраслях. В этой статье рассматриваются принципы EBM, его эксплуатационная механика, промышленные приложения и новые тенденции, которые продвигают его возможности дальше.

Что такое электронное лучевое плавление (EBM)?

Электронное пучкоплавление — это процесс производства порошковых сплавов, который первоначально был разработан в Технологическом университете Чалмерса в Швеции, а затем коммерциализирован Arcam AB, теперь дочерней компанией GE Additive. В EBM электронный пучок, растрачивающий тонкий слой металлического порошка, плавит частицы вместе по модели CAD. Процесс происходит внутри вакуумной камеры, что имеет решающее значение для предотвращения окисления и загрязнения, особенно при работе с реактивными металлами, такими как титан, тантал и кобальтохромные сплавы.

Ключевым дифференциатором между EBM и лазерным сплавом порошкового слоя (например, Direct Metal Laser Sintering, DMLS) является источник энергии. Электроны несут значительно больше энергии, чем фотоны, что позволяет лучу проникать глубже в порошковое ложе, что приводит к более высокой скорости сканирования и более высокой скорости сборки. Кроме того, вакуумная среда исключает поглощение атмосферы и снижает потребность в инертном газе, хотя система все еще требует обратного заполнения гелия для охлаждения линз и смягчения статического электричества. Камера сборки обычно предварительно нагревается до высоких температур (~ 700-1000 ° C), что спекает порошок и уменьшает тепловые градиенты - важный фактор в минимизации остаточных напряжений.

Как работает ЭБМ? Процесс шаг за шагом

Понимание процесса ЭБМ требует рассмотрения последовательности операций в рамках полного цикла сборки.Хотя по концепции аналогично другим методам синтеза порошкового слоя, конкретная физика взаимодействия электронного пучка и высокотемпературная среда делают ЭБМ отличным.

Шаг 1: Распыление порошка и его предварительный нагрев

Тонкий слой металлического порошка (обычно толщиной 50-100 мкм) распределяется по платформе сборки с помощью грабли или ролика. Вся платформа предварительно нагревается путем сканирования электронного пучка при низкой мощности. Это частичное спекание не только удерживает порошок на месте, но и нагревает кровать до температуры, близкой к плавлению, что уменьшает тепловой удар при расплавлении пучка каждого слоя. Предварительное нагревание также помогает устранить необходимость в обширных опорных структурах, так как окружающий спекаемый порошок обеспечивает механическую стабилизацию.

Шаг 2: Сканирование и плавление луча

Как только кровать достигает соответствующей температуры, электронный луч фокусируется до диаметра 0,1-0,4 мм и ускоряется напряжением 30-60 кВ. Луч отклоняется магнитно, что позволяет быстро сканировать без движущихся частей. Стратегия плавления обычно использует комбинацию контура и сканирования люка. Контуры определяют контур детали для улучшения качества поверхности, в то время как люк заполняет интерьер. Луч часто импульсируется или перемещается по змееподобному узору для управления вводом тепла и предотвращения перегрева. Поскольку луч можно управлять почти мгновенно, EBM может достигать очень высоких скоростей сканирования - до 1000 м / с в некоторых системах.

Шаг 3: Завершение уровня и снижение платформы

После плавления пучок переключается на низкую мощность для поддержания температуры, в то время как платформа сборки опускается на один слой толщиной. Распространяется новый слой порошка, и процесс повторяется. Один важный нюанс: системы EBM обычно не используют ограждающее лезвие, которое контактирует с деталью; вместо этого они используют порошковый бункер и грабли, которые отлагают порошок над частью, полагаясь на гравитацию и вибрацию. Это предотвращает повреждение деликатных особенностей.

Шаг 4: Охлаждение и частичное восстановление

Когда сборка завершена, весь порошковый слой, включая деталь, позволяет постепенно охлаждаться до комнатной температуры - процесс, который может занять несколько часов. Контролируемое охлаждение помогает предотвратить тепловое искажение. После этого спекаемый порошковый пирог удаляется, а части отделяются. Части EBM часто требуют этапов постобработки, таких как горячее изостатическое прессование (HIP), чтобы устранить любую внутреннюю пористость, снятие напряжения и отделку поверхности (например, взрыв бусины или обработка критических поверхностей).

Преимущества EBM в промышленном производстве

EBM предлагает ряд преимуществ, которые делают его предпочтительным выбором для конкретных приложений с высокой стоимостью, особенно там, где первостепенное значение имеют сложность деталей и производительность материалов.

Ограничения и соображения

Промышленные инженеры должны взвесить следующие факторы при выборе EBM для своей производственной линии:

Промышленные применения EBM

EBM нашла свой самый сильный плацдарм в отраслях, где отказ не является вариантом и где геометрическая свобода аддитивного производства может разблокировать прирост производительности, который оправдывает стоимость.

аэрокосмическая

Воздушно-космический сектор был ранним сторонником EBM, используя его для производства структурных скобок, лопастей турбин и линейок для сжигания. Способность уменьшать количество деталей и вес при сохранении прочности имеет решающее значение для эффективности самолета. Например, GE Aviation подтвердила EBM для производства корпуса датчика температуры T25 на двигателе LEAP, заменив литую часть более легкой, более сложной конструкцией. Аналогично, F-35 Joint Strike Fighter включает титановые компоненты EBM для скобок планера. Высокая предтепловая среда также позволяет обрабатывать сверхсплавы на основе никеля, такие как Inconel 718, без трещин. - задача для лазерных систем. Узнайте больше о технологии Arcam EBM от GE Additive.

Медицинские имплантаты

В ортопедии и стоматологической хирургии EBM является золотым стандартом для производства пористых металлических имплантатов, которые стимулируют врастание костей. Грубая поверхность и способность проектировать контролируемую пористость (например, решетчатые структуры) имитируют трабекулярную костную архитектуру, что приводит к лучшей фиксации и долгосрочной стабильности. Такие компании, как LimaCorporate и Stryker, регулярно используют EBM для производства ацетабулярных чашек, поддонов для подмышек и спинномозговых клеток из Ti-6Al-4V или CoCrMo. Кроме того, пользовательские имплантаты для черепно-лицевой реконструкции и хирургии пересмотра тазобедренного сустава могут быть изготовлены из данных КТ, предлагая решения для конкретного пациента.

автомобильный

В то время как объемы производства автомобилей высоки, EBM используется для малообъемных высокопроизводительных приложений, таких как компоненты автоспорта, вставки для оснастки и детали прототипа. Возможность производства конформных каналов охлаждения в литьевых формах сокращает время цикла до 50%. Легкие тормозные суппорты и компоненты подвески для гонок выигрывают от соотношения прочности к весу титана, а скорость EBM делает его жизнеспособным для этих нишевых применений.

Энергетика и толинг

В нефти и газе ЭБМ используется для буровых компонентов, которые должны противостоять коррозии и эрозии, таких как устройства управления потоком и подводные разъемы. В ядерном секторе сложные детали для обработки топлива и компоненты реактора могут быть изготовлены из таких материалов, как тантал или цирконий, которые трудно перерабатываются. Индустрия оснастки использует ЭБМ для производства вставок из медного сплава для литья под давлением пластика, где неоценима чистота меди и способность создавать внутренние каналы.

Будущие тенденции в технологии EBM

В ближайшие годы в области БМ будет налажено несколько разработок, которые позволят расширить ее промышленный охват.

Больше объемов строительства и более высокая производительность

Система Arcam EBM Spectra H от GE Additive оснащена цилиндром сборки высотой 430 мм и диаметром 350 мм, а также более мощной электронной пушкой, которая увеличивает скорость сборки до 50%. Это делает EBM более конкурентоспособным для серийного производства более крупных деталей, таких как корпуса авиационных двигателей. Кроме того, такие компании, как Freemelt, внедряют машины EBM с открытой архитектурой, которые позволяют лабораториям R & D экспериментировать с пользовательскими сплавами и параметрами обработки.

Продвинутый мониторинг процессов и контроль

Методы мониторинга в режиме реального времени — с использованием самого электронного пучка в качестве датчика (обратная электронная визуализация) или интеграции инфракрасных камер — разрабатываются для обнаружения дефектов. Алгоритмы машинного обучения могут анализировать эти сигналы для корректировки параметров плавления на лету, снижая изменчивость и позволяя впервые производить право. Это имеет решающее значение для сертификации в регулируемых отраслях, таких как аэрокосмическая и медицинская техника.

Многоматериальные и градуированные структуры

Продолжаются исследования, позволяющие функциональную классификацию материалов в рамках одной сборки - например, переход от жесткого ядра к износостойкой поверхности. Электронный пучок теоретически может быть отрегулирован для расплавления различных порошков, доставляемых из нескольких хмеля, хотя проблемы остаются в предотвращении перекрестного загрязнения. Ранние прототипы таких систем были продемонстрированы в университетах и могут достичь коммерческой зрелости в течение десятилетия.

Интеграция с постобработкой и автоматизацией

Для оптимизации производства ЭБМ-клетки объединяются с роботизированным удалением порошка, термообработкой печей и обрабатывающими центрами. Уже существуют полностью автоматизированные заводы по производству ортопедических имплантатов, где детали переходят от ЭБМ-машины к горячему изостатическому прессованию и окончательной обработке без вмешательства человека. Эта тенденция к Индустрии 4.0 снизит затраты на рабочую силу и ускорит пропускную способность.

Заключение

Электронное лучевое плавление зарекомендовало себя как надежный и универсальный метод аддитивного производства для требовательных металлических применений. Его вакуумная среда, высокие скорости сборки и способность обрабатывать реактивные сплавы дают ему явное преимущество над лазерными системами в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность и медицинские имплантаты. В то время как ограничения, такие как отделка поверхности и капитальные затраты, остаются, текущие инновации в более крупных машинах, управление процессом и многоматериальные возможности неуклонно расширяют его принятие. По мере того, как все больше компаний используют цифровое производство для дорогостоящих компонентов, EBM будет продолжать играть центральную роль в трансформации производства металлов.

Для тех, кто интересуется более глубокими техническими знаниями, статья Википедии о производстве аддитивных электронных пучков предоставляет всеобъемлющий обзор, в то время как недавний обзор в журнале Материалы охватывает последние исследования по мониторингу на месте и механическим характеристикам. Будущее EBM яркое, и его промышленное использование будет только расширяться по мере развития технологии.