Производство электронно-лучевой добавки

Производство электронно-лучевой добавки или электронно-лучевое плавление (EBM) – это тип производства присадок или трехмерной печати для металлических деталей. Сырье (металлический порошок или проволока) помещают под вакуумом и сливают вместе от нагрева электронным лучом. Этот метод отличается от селективного лазерного спекания, поскольку плавкие предохранители исходного материала полностью расплавлены.

С помощью электронного пучка в качестве источника энергии металлический порошок целенаправленно расплавляется, при этом компактные компоненты практически любой геометрии могут быть получены непосредственно из проектных данных. Для этой цели, подобно селективному лазерному плавлению, поочередно наносили порошкообразный слой с дозатором до предыдущего и избирательно расплавляли электронным пучком. Таким образом, желаемый компонент генерируется в слоях.

При селективном лазерном плавлении (SLM) плавление расплава механически контролируется, тогда как при электронно-лучевом плавлении струя расплава отклоняется в вакууме через магнитное поле (и, следовательно, без инерции). В результате теоретически более высокие скорости процесса возможны с EBM по сравнению с УУЗР.

По сравнению с традиционными производственными процессами, такими как литье, спекание или ковка, есть несколько преимуществ. К ним относятся:

Большая геометрическая свобода дизайна
Сокращение времени между разработкой и внедрением рынка
Более высокая эффективность материала
Нет затрат на компоненты, специфические для инструментов, пресс-форм, сердечников и т.п.
Экономическое производство прототипов и / или небольших серий

По сравнению с традиционными процессами производства присадок возникают следующие недостатки:

Относительно высокие первоначальные инвестиции
Относительно медленное производство компонентов
Нет экономического производства больших серий
Относительно небольшой объем устройства ограничивает максимально возможные размеры компонента
Процесс EBM создает более высокую плотность дефектов материала, что может быть обусловлено, например, B. приводит к снижению прочности материала
Крупнейшим поставщиком систем EBM и владельцем бренда EBM является шведская компания Arcam AB.

Технологии
Этот процесс, который начинается непосредственно из чистого металла в порошкообразное состояние, позволяет изготавливать готовые и не содержащие пустот детали (последний характерный признак этой технологии, по крайней мере, до 2011 года, когда модели SLM (3D-принтеры на основе металлов) ” Селективная лазерная плавка ») до сих пор не смогли достичь такой высокой плотности, теперь технология SLM достигла производительности, приближающейся к процессу EBM). Процесс производства включает размещение порошковых слоев материала для плавления под вакуумом, начиная с толщины около 0,1 мм и с литейной способностью до 80 см 3 / ч. Работа в вакууме и, следовательно, при отсутствии воздуха также позволяет работать с материалами, которые в противном случае реагируют немедленно с кислородом, производящим нежелательные соединения.

Машина, которая считывает данные из модели 3D CAD, делится на 4 сектора:

Команда (ПК)
Мощность (высокое напряжение)
Пушка (катодная трубка), где генерируется электронный пучок
Камера (поддерживается при постоянном давлении (3 * 10 -5))
Процесс плавления происходит при температурах обычно от 700 до 1000 ° С и позволяет получать части, по существу свободные от остаточных напряжений и которые поэтому не требуют последующей термической обработки после производства.

Техника EBM была разработана шведской компанией Arcam.

Металлические порошковые системы
Металлические порошки могут быть объединены в твердую массу с использованием электронного пучка в качестве источника тепла. Части изготавливаются путем плавления металлического порошка, слой за слоем, с электронным лучом в высоком вакууме.

Этот метод порошкового слоя дает полностью плотные металлические детали непосредственно из металлического порошка с характеристиками материала мишени. Машина EBM считывает данные из модели 3D CAD и закладывает последовательные слои порошкообразного материала. Эти слои расплавляются вместе с использованием электронного пучка с электронным управлением. Таким образом он создает детали. Процесс происходит под вакуумом, что делает его пригодным для изготовления деталей в реакционноспособных материалах с высоким сродством к кислороду, например титана. Известно, что процесс работает при более высоких температурах (до 1000 ° C), что может привести к различиям в фазообразовании, хотя затвердевание и твердофазное преобразование фазы.

Порошковое сырье обычно предварительно легировано, в отличие от смеси. Этот аспект позволяет классифицировать EBM с помощью селективного лазерного плавления (SLM), где конкурирующие технологии, такие как SLS и DMLS, требуют термической обработки после изготовления. По сравнению с SLM и DMLS, EBM имеет в целом превосходную скорость сборки из-за более высокой плотности энергии и метода сканирования.

Исследования
Недавняя работа была опубликована ORNL, демонстрируя использование технологии EBM для контроля локальных кристаллографических ориентаций зерен в Инконеле. Другие важные разработки были сосредоточены на разработке параметров процесса для производства деталей из сплавов, таких как медь, ниобий, Al 2024, объемное металлическое стекло, нержавеющая сталь и алюминид титана. В настоящее время коммерческие материалы для EBM включают коммерчески чистый титан, Ti-6Al-4V, CoCr, Inconel 718 и Inconel 625.

Металлические проволочные системы
Другой подход заключается в использовании электронного пучка для сварки сварочной проволоки на поверхности для создания детали. Это похоже на общий процесс трехмерной печати сплавленного моделирования осаждения, но с металлом, а не с пластмассами. В этом процессе электронно-лучевая пушка обеспечивает источник энергии, используемый для плавления металлического сырья, который обычно является проволокой. Электронный луч является высокоэффективным источником питания, который может быть точно сфокусирован и отклонен с использованием электромагнитных катушек со скоростями в тысячи герц. Типичные электронно-лучевые сварочные системы имеют высокую мощность, в которых наиболее распространены 30- и 42-киловаттные системы. Основным преимуществом использования металлических компонентов с электронными пучками является то, что процесс проводится в условиях высокого вакуума 1 × 10-4 Торр или выше, обеспечивая зону без загрязнений, которая не требует использования дополнительных инертных газов, обычно используется с лазерными и дуговыми процессами. С EBDM сырьевой материал подается в расплавленный бассейн, создаваемый электронным лучом. Используя компьютерные числовые элементы управления (ЧПУ), расплавленный бассейн перемещается на пластину подложки, добавляя материал именно там, где это необходимо для получения почти чистой формы. Этот процесс повторяется поэтапно, пока не будет получена желаемая трехмерная форма.

В зависимости от изготавливаемой детали скорость осаждения может составлять до 200 кубических дюймов (3300 см3) в час. С легким сплавом, таким как титан, это приводит к скорости осаждения в реальном времени 40 фунтов (18 кг) в час. Широкий спектр технических сплавов совместим с процессом EBDM и легко доступен в виде сварочной проволоки из существующей базы снабжения. К ним относятся, но не ограничиваются ими, нержавеющие стали, сплавы кобальта, никелевые сплавы, медные никелевые сплавы, тантал, титановые сплавы, а также многие другие высокоценные материалы.

рынок
Титановые сплавы широко используются с этой технологией, что делает ее подходящим выбором для рынка медицинских имплантатов.

CE-сертифицированные чашки с вертлужной вставкой серийно выпускаются с EBM с 2007 года двумя европейскими производителями ортопедических имплантатов, Adler Ortho и Lima Corporate.

Американский производитель имплантатов Exactech также получил разрешение FDA для чашки вертлужной впадины, изготовленной с использованием технологии EBM.

Аэрокосмические и другие чрезвычайно требовательные механические приложения также нацелены на ракетный двигатель Rutherford.

Процесс EBM был разработан для изготовления деталей в алюминиде гамма-титана и в настоящее время разрабатывается Avio SpA и General Electric Aviation для производства лопаток турбин в γ-TiAl для газотурбинных двигателей.