La produzione additiva a fascio di elettroni o la fusione a fascio di elettroni (EBM) è un tipo di produzione additiva, o stampa 3D, per parti metalliche. La materia prima (polvere o filo metallico) viene posta sotto vuoto e fusa insieme dal riscaldamento mediante un fascio di elettroni. Questa tecnica è distinta dalla sinterizzazione laser selettiva poiché la materia prima si fonde completamente sciolta.

Per mezzo di un fascio di elettroni come fonte di energia, una polvere metallica viene volutamente sciolta, per cui componenti compatti di quasi tutte le geometrie possono essere prodotti direttamente dai dati di progetto. A tale scopo, analogamente alla fusione selettiva del laser, si applicava alternativamente uno strato di polvere con una racla al precedente e selettivamente fusa mediante fascio di elettroni. In questo modo, il componente desiderato viene generato a strati.

Nella fusione selettiva del laser (SLM), il getto di fusione è controllato meccanicamente, mentre nella fusione del fascio di elettroni, il getto di fusione viene deflesso nel vuoto attraverso un campo magnetico (e quindi senza inerzia). Di conseguenza, le velocità di processo teoricamente più elevate sono possibili con EBM rispetto a SLM.

Rispetto ai processi di produzione tradizionali come fusione, sinterizzazione o forgiatura, ci sono diversi vantaggi. Questi includono:

Grande libertà geometrica del design
Accorciare i tempi tra lo sviluppo e l’introduzione sul mercato
Maggiore efficienza del materiale
Nessun costo per strumenti specifici per componenti, stampi, anime o simili
Produzione economica di prototipi e / o piccole serie

Rispetto ai tradizionali processi di produzione additiva, tra gli altri si presentano i seguenti svantaggi:

Investimento iniziale relativamente alto
Produzione relativamente lenta di componenti
Nessuna produzione economica di grandi serie
Il volume relativamente piccolo del dispositivo limita le dimensioni massime possibili del componente
Il processo EBM crea una maggiore densità di difetti del materiale, che può essere dovuto ad es. B. porta ad una minore resistenza del materiale
Il più grande fornitore di sistemi EBM e proprietario del marchio EBM è la società svedese Arcam AB.

Tecnologia
Questo processo, che inizia direttamente dal metallo puro allo stato di polvere, rende possibile la produzione di parti finite e prive di vuoti (l’ultima caratteristica caratteristica di questa tecnologia fino almeno al 2011, quando i modelli SLM (stampanti 3D a base di metallo) ” Selective Laser Melting “) non è stato ancora in grado di raggiungere prestazioni così ad alta densità, ora la tecnologia SLM ha raggiunto prestazioni che si avvicinano al processo EBM). Il processo di produzione prevede il posizionamento degli strati di polvere del materiale da sciogliere sotto vuoto, partendo da spessori di circa 0,1 mm e con una capacità di colata fino a 80 cm 3 / h. Lavorare sotto vuoto, e quindi in assenza di aria, consente anche di lavorare su materiali che altrimenti reagirebbero immediatamente con l’ossigeno producendo composti indesiderati.

La macchina, che legge i dati da un modello CAD 3D, è divisa in 4 settori:

Comando (PC)
Potenza (alta tensione)
Cannone (tubo catodico) in cui viene generato il fascio di elettroni
Camera (mantenuta a pressione costante (3 * 10 -5))
Il processo di fusione avviene a temperature tipicamente comprese tra 700 e 1.000 ° C e consente di ottenere parti sostanzialmente prive di tensioni residue e che quindi non richiedono trattamenti post-calore dopo la produzione.

La tecnica EBM è stata sviluppata dalla società svedese Arcam.

Sistemi a base di polvere metallica
Le polveri metalliche possono essere consolidate in una massa solida utilizzando un fascio di elettroni come fonte di calore. Le parti sono prodotte dalla fusione di polvere metallica, strato dopo strato, con un fascio di elettroni in alto vuoto.

Questo metodo di letto in polvere produce parti metalliche completamente dense direttamente dalla polvere metallica con caratteristiche del materiale target. La macchina EBM legge i dati da un modello CAD 3D e deposita strati successivi di materiale in polvere. Questi strati sono fusi insieme utilizzando un fascio di elettroni controllato da computer. In questo modo costruisce le parti. Il processo avviene sotto vuoto, il che lo rende adatto alla produzione di parti in materiali reattivi con un’alta affinità per l’ossigeno, ad es. titanio. È noto che il processo funziona a temperature più elevate (fino a 1000 ° C), il che può portare a differenze nella formazione di fase attraverso la solidificazione e la trasformazione di fase allo stato solido.

La materia prima in polvere è tipicamente pre-legata, al contrario di una miscela. Questo aspetto consente la classificazione dell’EBM con la fusione laser selettiva (SLM), in cui tecnologie concorrenti come SLS e DMLS richiedono un trattamento termico dopo la fabbricazione. Rispetto a SLM e DMLS, EBM ha una velocità di costruzione generalmente superiore a causa della sua maggiore densità di energia e del metodo di scansione.

Sviluppi della ricerca
Il lavoro recente è stato pubblicato da ORNL, dimostrando l’uso della tecnologia EBM per controllare gli orientamenti cristallografici locali dei grani in Inconel. Altri sviluppi degni di nota si sono concentrati sullo sviluppo di parametri di processo per la produzione di parti in leghe quali rame, niobio, Al 2024, vetro metallico sfuso, acciaio inossidabile e alluminuro di titanio. Attualmente i materiali commerciali per EBM includono Titanio commercialmente puro, Ti-6Al-4V, CoCr, Inconel 718 e Inconel 625.

Sistemi a filo metallico
Un altro approccio consiste nell’utilizzare un fascio di elettroni per fondere il filo di saldatura su una superficie per costruire una parte. Questo è simile al comune processo di stampa 3D di modellazione di deposizione fusa, ma con metallo, piuttosto che plastica. Con questo processo, una pistola a fascio di elettroni fornisce la fonte di energia utilizzata per fondere le materie prime metalliche, che in genere è il filo. Il fascio di elettroni è una fonte di energia altamente efficiente che può essere focalizzata e deflessa con precisione utilizzando bobine elettromagnetiche a velocità comprese tra migliaia di hertz. I tipici sistemi di saldatura a fascio di elettroni hanno un’elevata disponibilità di energia, con i sistemi a 30 e 42 kilowatt più comuni. Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo di componenti metallici con fasci di elettroni è che il processo viene condotto all’interno di un ambiente ad alto vuoto di 1 × 10-4 Torr o superiore, fornendo una zona di lavoro priva di contaminazioni che non richiede l’uso di gas inerti aggiuntivi comunemente utilizzato con i processi laser e basati sull’arco. Con EBDM, il materiale della materia prima viene immesso in una vasca fusa creata dal fascio di elettroni. Attraverso l’uso di controlli numerici computerizzati (CNC), il pool fuso viene spostato su una piastra di substrato, aggiungendo materiale proprio dove è necessario per produrre la forma quasi netta. Questo processo viene ripetuto in modo strato per livello, fino a quando non viene prodotta la forma 3D desiderata.

A seconda del pezzo che viene prodotto, i tassi di deposito possono variare fino a 200 pollici cubici (3.300 cm3) all’ora. Con una lega leggera, come il titanio, questo si traduce in un tasso di deposito in tempo reale di 40 libbre (18 kg) all’ora. Una vasta gamma di leghe di ingegneria è compatibile con il processo EBDM e sono prontamente disponibili sotto forma di filo di saldatura da una base di fornitura esistente. Questi includono, ma non sono limitati a, acciai inossidabili, leghe di cobalto, leghe di nichel, leghe di rame e nichel, tantalio, leghe di titanio, così come molti altri materiali di alto valore.

Mercato
Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate con questa tecnologia, che la rende una scelta adatta per il mercato degli impianti medicali.

Le coppe acetabolari certificate CE sono prodotte in serie con EBM dal 2007 da due produttori europei di impianti ortopedici, Adler Ortho e Lima Corporate.

Il produttore di impianti statunitensi Exactech ha anche ricevuto l’autorizzazione FDA per una coppa acetabolare fabbricata con la tecnologia EBM.

Anche l’aerospaziale e altre applicazioni meccaniche molto impegnative sono mirate, vedi il motore a razzo Rutherford.

Il processo EBM è stato sviluppato per la produzione di parti in alluminuro gamma titanio ed è attualmente in fase di sviluppo da Avio S.p.A. e General Electric Aviation per la produzione di pale di turbina in γ-TiAl per motori a turbina a gas.