Fabricação aditiva de feixe de elétrons

A fabricação aditiva de feixe de elétrons, ou fusão por feixe de elétrons (EBM) é um tipo de fabricação aditiva, ou impressão 3D, para peças metálicas. A matéria-prima (pó de metal ou arame) é colocada sob vácuo e fundida em conjunto do aquecimento por um feixe de elétrons. Esta técnica é distinta da sinterização seletiva a laser, pois a matéria-prima funde-se completamente.

Por meio de um feixe de elétrons como fonte de energia, um pó de metal é propositadamente fundido, pelo que componentes compactos de quase qualquer geometria podem ser produzidos diretamente a partir dos dados de projeto. Para este efeito, semelhante ao derretimento seletivo por laser, alternadamente aplicado uma camada de pó com uma lâmina de médico para o anterior e seletivamente derretido por feixe de elétrons. Desta forma, o componente desejado é gerado em camadas.

Na fusão seletiva a laser (SLM), o jato de fusão é controlado mecanicamente, enquanto na fusão de feixes de elétrons, o jato de fusão é desviado no vácuo através de um campo magnético (e, portanto, sem inércia). Como resultado, velocidades de processo teoricamente mais altas são possíveis com o EBM em comparação com o SLM.

Em comparação com os processos tradicionais de fabricação, como fundição, sinterização ou forjamento, há várias vantagens. Esses incluem:

Grande liberdade geométrica de design
Encurtar o tempo entre desenvolvimento e introdução no mercado
Maior eficiência material
Não há custos para ferramentas específicas de componentes, moldes, núcleos ou semelhantes
Produção econômica de protótipos e / ou pequenas séries

Em comparação com os processos tradicionais de manufatura aditiva, surgem as seguintes desvantagens, entre outras:

Investimento inicial relativamente alto
Produção relativamente lenta de componentes
Nenhuma produção econômica de grandes séries
O volume relativamente pequeno do dispositivo limita as dimensões máximas possíveis do componente
O processo EBM cria uma densidade mais alta de defeitos de material, o que pode ser devido a, por exemplo, B. leva a menor resistência do material
O maior fornecedor de sistemas EBM e proprietário da marca EBM é a empresa sueca Arcam AB.

Tecnologia
Este processo, que começa diretamente do metal puro para o estado do pó, possibilita a produção de peças acabadas e livres de vazios (a última característica desta tecnologia até pelo menos 2011, quando os modelos SLM (impressoras 3D à base de metal) ” A fusão seletiva a laser “) ainda não conseguiu atingir esse desempenho de alta densidade, agora a tecnologia SLM alcançou desempenho próximo ao processo EBM. O processo de produção envolve a colocação das camadas de pó do material a ser fundido sob vácuo, partindo de espessuras de cerca de 0,1 mm e com uma capacidade de vazamento de até 80 cm3 / h. Trabalhar sob vácuo e, portanto, na ausência de ar, também permite trabalhar em materiais que, de outra forma, reagiriam imediatamente com o oxigênio, produzindo compostos indesejados.

A máquina, que lê dados de um modelo CAD 3D, é dividida em quatro setores:

Comando (PC)
Potência (alta voltagem)
Canhão (tubo catódico) onde o feixe de elétrons é gerado
Câmara (mantida a pressão constante (3 * 10 -5))
O processo de fusão ocorre a temperaturas tipicamente entre 700 e 1000 ° C e permite obter partes substancialmente livres de tensões residuais e que, portanto, não requerem tratamentos pós-calor após a produção.

A técnica de EBM foi desenvolvida pela empresa sueca Arcam.

Sistemas baseados em pó de metal
Pós metálicos podem ser consolidados em uma massa sólida usando um feixe de elétrons como fonte de calor. As peças são fabricadas derretendo pó metálico, camada por camada, com um feixe de elétrons em alto vácuo.

Este método de leito de pó produz peças de metal totalmente densas diretamente do pó de metal com características do material alvo. A máquina EBM lê dados de um modelo CAD 3D e estabelece camadas sucessivas de material em pó. Essas camadas são fundidas em conjunto utilizando um feixe de elétrons controlado por computador. Desta forma, constrói as partes. O processo ocorre sob vácuo, o que o torna adequado para fabricar peças em materiais reativos com alta afinidade por oxigênio, por exemplo, titânio. O processo é conhecido por operar em temperaturas mais altas (até 1000 ° C), o que pode levar a diferenças na formação de fases através da solidificação e transformação de fase em estado sólido.

A matéria prima em pó é tipicamente pré-ligada, em oposição a uma mistura. Esse aspecto permite a classificação de EBM com fusão seletiva a laser (SLM), onde tecnologias concorrentes como SLS e DMLS requerem tratamento térmico após a fabricação. Comparado ao SLM e ao DMLS, o EBM tem uma taxa de construção geralmente superior devido à sua maior densidade de energia e método de digitalização.

Desenvolvimentos de pesquisa
Um trabalho recente foi publicado pela ORNL, demonstrando o uso da tecnologia EBM para controlar as orientações locais de grãos cristalográficos em Inconel. Outros desenvolvimentos notáveis ​​concentraram-se no desenvolvimento de parâmetros de processo para produzir peças de ligas como cobre, nióbio, Al 2024, vidro metálico a granel, aço inoxidável e alumineto de titânio. Atualmente, os materiais comerciais para EBM incluem Titânio comercialmente puro, Ti-6Al-4V, CoCr, Inconel 718 e Inconel 625.

Sistemas baseados em fio de metal
Outra abordagem é usar um feixe de elétrons para derreter o fio de solda em uma superfície para construir uma peça. Isso é semelhante ao processo de impressão 3D comum da modelagem de deposição fundida, mas com metal, em vez de plástico. Com este processo, uma pistola de feixe de elétrons fornece a fonte de energia usada para fundir matéria-prima metálica, que é tipicamente fio. O feixe de elétrons é uma fonte de energia altamente eficiente que pode ser focada e defletida com precisão usando bobinas eletromagnéticas a taxas bem abaixo de milhares de hertz. Os sistemas de soldagem típicos por feixe de elétrons têm alta disponibilidade de energia, sendo os sistemas de 30 e 42 quilowatts mais comuns. Uma grande vantagem do uso de componentes metálicos com feixes de elétrons é que o processo é conduzido em um ambiente de alto vácuo de 1 × 10−4 Torr ou maior, fornecendo uma zona de trabalho livre de contaminação que não requer o uso de gases inertes adicionais comumente usado com processos baseados em laser e arco. Com o EBDM, o material de alimentação é alimentado em uma poça fundida criada pelo feixe de elétrons. Através do uso de controles numéricos de computador (CNC), a poça fundida é movimentada em uma placa de substrato, adicionando material exatamente onde é necessário para produzir a forma líquida próxima. Esse processo é repetido em uma camada por camada, até que a forma 3D desejada seja produzida.

Dependendo da peça que está sendo fabricada, as taxas de deposição podem variar de até 200 polegadas cúbicas (3.300 cm3) por hora. Com uma liga leve, como o titânio, isso se traduz em uma taxa de deposição de 40 libras (18 kg) por hora em tempo real. Uma ampla gama de ligas de engenharia é compatível com o processo de EBDM e está prontamente disponível na forma de arame de soldagem de uma base de suprimento existente. Estes incluem, mas não estão limitados a, aços inoxidáveis, ligas de cobalto, ligas de níquel, ligas de cobre e níquel, tântalo, ligas de titânio, bem como muitos outros materiais de alto valor.

Mercado
As ligas de titânio são amplamente utilizadas com esta tecnologia, o que a torna uma escolha adequada para o mercado de implantes médicos.

Os copos acetabulares certificados pela CE estão em produção em série com a EBM desde 2007 por dois fabricantes europeus de implantes ortopédicos, Adler Ortho e Lima Corporate.

A fabricante de implantes dos EUA Exactech também recebeu autorização da FDA para um copo acetabular fabricado com a tecnologia EBM.

O setor aeroespacial e outras aplicações mecânicas altamente exigentes também são alvos, veja o motor de foguete Rutherford.

O processo EBM foi desenvolvido para a fabricação de peças em alumineto de titânio gama e está atualmente sendo desenvolvido pela Avio SpA e General Electric Aviation para a produção de pás de turbinas em γ-TiAl para motores a turbina a gás.