La fabrication additive par faisceau d’électrons, ou fusion par faisceau d’électrons (EBM), est un type de fabrication additive, ou impression 3D, de pièces métalliques. La matière première (poudre ou fil métallique) est placée sous vide et fusionnée par chauffage grâce à un faisceau d’électrons. Cette technique se distingue du frittage sélectif au laser car la matière première fond complètement.

Au moyen d’un faisceau d’électrons en tant que source d’énergie, une poudre de métal est fondue à bon escient, de sorte que des composants compacts de presque toutes les géométries peuvent être produits directement à partir des données de conception. À cette fin, similaire à la fusion laser sélective, appliqué en alternance une couche de poudre avec une racle à la précédente et sélectivement fondu par faisceau d’électrons. De cette manière, le composant souhaité est généré en couches.

Dans la fusion sélective au laser (SLM), le jet en fusion est contrôlé mécaniquement, tandis que dans la fusion par faisceau d’électrons, le jet en fusion est dévié dans le vide via un champ magnétique (et donc sans inertie). En conséquence, des vitesses de traitement théoriquement plus élevées sont possibles avec l’EBM par rapport au SLM.

Par rapport aux procédés de fabrication traditionnels tels que le moulage, le frittage ou le forgeage, il existe plusieurs avantages. Ceux-ci inclus:

Grande liberté de conception géométrique
Réduire le délai entre le développement et la commercialisation
Plus grande efficacité matérielle
Aucun frais pour les outils, moules, noyaux ou similaires spécifiques aux composants
Production économique de prototypes et / ou de petites séries

Par rapport aux procédés de fabrication additifs traditionnels, les inconvénients suivants se présentent, entre autres:

Investissement initial relativement élevé
Production relativement lente de composants
Pas de production économique de grandes séries
Le volume relativement petit de l’appareil limite les dimensions maximales possibles du composant
Le processus EBM crée une densité plus élevée de défauts de matériau, ce qui peut être dû par exemple à B. conduit à une résistance moindre du matériau
Le plus grand fournisseur de systèmes EBM et propriétaire de la marque EBM est la société suédoise Arcam AB.

La technologie
Ce procédé, qui commence directement du métal pur à l’état en poudre, permet de produire des pièces finies et sans vide (dernière caractéristique de cette technologie jusqu’en 2011 au moins, lorsque les modèles SLM (imprimantes 3D à base de métal)  » Fusion sélective au laser « ) ne pouvait toujours pas atteindre une telle performance haute densité, maintenant la technologie SLM a atteint une performance proche du processus EBM). Le processus de production consiste à placer les couches de poudre du matériau à fondre sous vide, à partir d’épaisseurs d’environ 0,1 mm et avec une capacité de coulée allant jusqu’à 80 cm 3 / h. Travailler sous vide, et donc en l’absence d’air, permet également de travailler sur des matériaux qui sinon réagiraient immédiatement avec de l’oxygène, produisant des composés indésirables.

La machine, qui lit les données d’un modèle de CAO 3D, est divisée en 4 secteurs:

Commande (PC)
Puissance (haute tension)
Canon (tube cathodique) où le faisceau d’électrons est généré
Chambre (maintenue à pression constante (3 * 10 -5))
Le processus de fusion a lieu à des températures typiquement comprises entre 700 et 1 000 ° C et permet d’obtenir des pièces sensiblement exemptes de contraintes résiduelles et qui, par conséquent, ne nécessitent pas de traitement de post-chauffage après production.

La technique EBM a été développée par la société suédoise Arcam.

Systèmes à base de poudre métallique
Les poudres métalliques peuvent être consolidées en une masse solide en utilisant un faisceau d’électrons comme source de chaleur. Les pièces sont fabriquées par fusion de poudre de métal, couche par couche, avec un faisceau d’électrons sous vide poussé.

Ce procédé en lit de poudre produit des pièces métalliques entièrement denses directement à partir de poudre de métal présentant les caractéristiques du matériau cible. La machine EBM lit les données d’un modèle de CAO 3D et établit des couches successives de matériau en poudre. Ces couches sont fondues ensemble en utilisant un faisceau d’électrons commandé par ordinateur. De cette façon, il construit les parties. Le processus se déroule sous vide, ce qui le rend idéal pour la fabrication de pièces en matériaux réactifs ayant une grande affinité pour l’oxygène, par exemple le titane. Le procédé est connu pour fonctionner à des températures plus élevées (jusqu’à 1000 ° C), ce qui peut entraîner des différences de formation de phase lors de la solidification et de la transformation de phase à l’état solide.

La matière première en poudre est généralement pré-alliée, par opposition à un mélange. Cet aspect permet de classer l’EBM avec la fusion sélective au laser (SLM), où les technologies concurrentes telles que SLS et DMLS nécessitent un traitement thermique après fabrication. Par rapport à SLM et DMLS, EBM a un taux de construction généralement supérieur en raison de sa densité d’énergie et de sa méthode de balayage plus élevées.

Développements de la recherche
Des travaux récents ont été publiés par ORNL, démontrant l’utilisation de la technologie EBM pour contrôler les orientations cristallographiques locales des grains dans Inconel. D’autres développements notables se sont concentrés sur le développement de paramètres de processus permettant de produire des pièces en alliages tels que le cuivre, le niobium, l’Al 2024, le verre métallique épais, l’acier inoxydable et l’aluminure de titane. Les matériaux actuellement commercialisés pour l’EBM comprennent le titane, le Ti-6Al-4V, le CoCr, l’Inconel 718 et l’Inconel 625, purs dans le commerce.

Systèmes à base de métal
Une autre approche consiste à utiliser un faisceau d’électrons pour fondre un fil de soudage sur une surface afin de constituer une pièce. Ceci est similaire au processus d’impression 3D commun de la modélisation de dépôt par fusion, mais avec du métal plutôt que du plastique. Avec ce procédé, un canon à faisceau électronique fournit la source d’énergie utilisée pour la fusion de la matière première métallique, qui est généralement du fil. Le faisceau d’électrons est une source d’énergie extrêmement efficace qui peut être à la fois focalisée avec précision et déviée à l’aide de bobines électromagnétiques à des vitesses pouvant atteindre plusieurs milliers de hertz. Les systèmes de soudage par faisceau d’électrons classiques ont une grande disponibilité de puissance, les systèmes de 30 et 42 kilowatts étant les plus courants. L’utilisation d’éléments métalliques avec des faisceaux d’électrons présente l’avantage majeur que le processus se déroule dans un environnement sous vide poussé de 1 × 10−4 Torr ou plus, fournissant une zone de travail exempte de contamination ne nécessitant pas l’utilisation commune de gaz inertes supplémentaires. utilisé avec les procédés laser et à arc. Avec EBDM, les matières premières sont introduites dans un bain en fusion créé par le faisceau d’électrons. Grâce à l’utilisation de commandes numériques (CNC), le pool en fusion est déplacé sur une plaque de substrat, ajoutant le matériau là où il est nécessaire pour produire la forme proche du filet. Ce processus est répété couche par couche jusqu’à ce que la forme 3D souhaitée soit produite.

Selon la pièce à fabriquer, les vitesses de dépôt peuvent aller jusqu’à 3 300 cm3 (200 pouces cubes) par heure. Avec un alliage léger, tel que le titane, cela se traduit par une vitesse de dépôt en temps réel de 18 kg (40 livres) par heure. Une large gamme d’alliages d’ingénierie est compatible avec le procédé EBDM et est facilement disponible sous forme de fil de soudure provenant d’une base d’approvisionnement existante. Ceux-ci comprennent, sans toutefois s’y limiter, les aciers inoxydables, les alliages de cobalt, les alliages de nickel, les alliages de cuivre et de nickel, le tantale, les alliages de titane, ainsi que de nombreux autres matériaux de grande valeur.

Marché
Les alliages de titane sont largement utilisés avec cette technologie, ce qui en fait un choix approprié pour le marché des implants médicaux.

Les cupules acétabulaires certifiées CE sont fabriquées en série avec EBM depuis 2007 par deux fabricants européens d’implants orthopédiques, Adler Ortho et Lima Corporate.

Le fabricant d’implants américain Exactech a également reçu l’autorisation de la FDA pour une cupule acétabulaire fabriquée avec la technologie EBM.

L’aérospatiale et d’autres applications mécaniques très exigeantes sont également visées, voir moteur de fusée Rutherford.

Le procédé EBM a été mis au point pour la fabrication de pièces en aluminiure de titane gamma et est en cours de développement par Avio SpA et General Electric Aviation pour la production d’aubes de turbine en γ-TiAl pour moteurs à turbine à gaz.