电子束增材制造

电子束增材制造(Electron-beam additive manufacturing)或电子束熔化(Electron-beam melting, EBM)是一种用于金属部件的增材制造或3D打印。 将原料(金属粉末或金属丝)置于真空下并通过电子束加热熔合在一起。 该技术不同于选择性激光烧结,因为原料熔化完全熔化。

借助于电子束作为能量源,有目的地熔化金属粉末,从而可以直接从设计数据产生几乎任何几何形状的紧凑部件。 为此目的,类似于选择性激光熔化,交替地将具有刮刀的粉末层施加到之前并通过电子束选择性地熔化。 以这种方式,期望的组件以层的形式生成。

在选择性激光熔化(SLM)中,熔体射流是机械控制的,而在电子束熔化中,熔体射流通过磁场在真空中偏转(因此没有惯性)。 因此,与SLM相比,理论上EBM可以实现更高的处理速度。

与诸如铸造,烧结或锻造的传统制造工艺相比,有几个优点。 这些包括:

伟大的几何设计自由度
缩短开发和市场推广之间的时间
更高的材料效率
零件专用工具,模具,型芯等无需任何成本
经济生产原型和/或小系列

与传统的增材制造工艺相比,出现以下缺点:

初始投资相对较高
组件生产相对缓慢
没有经济生产的大系列
该装置的体积相对较小,限制了部件的最大可能尺寸
EBM工艺产生更高密度的材料缺陷,这可能是由于例如B.导致较低的材料强度
最大的EBM系统供应商和EBM品牌的所有者是瑞典公司Arcam AB。

技术
这个过程直接从纯金属开始到粉末状态,可以生产成品和无空隙的零件(这项技术的最后一个特征是至少2011年SLM模型(基于金属的3D打印机)“选择性激光熔化“)仍然无法实现如此高密度的性能,现在SLM技术已经达到了接近EBM工艺的性能)。 生产过程包括将材料的粉末层置于真空下熔化,从厚度约0.1mm开始,浇铸容量高达80cm 3 / h。 在真空下工作,因此在没有空气的情况下,也允许在材料上工作,否则这些材料会立即与氧气反应产生不需要的化合物。

从3D CAD模型读取数据的机器分为4个扇区:

命令(PC)
功率(高压)
加农炮(阴极管)产生电子束
室(保持恒定压力(3 * 10 -5))
熔化过程在通常在700和1000℃之间的温度下进行,并且允许获得基本上没有残余应力的部件,因此在生产之后不需要后热处理。

EBM技术由瑞典公司Arcam开发。

金属粉末系统
可以使用电子束作为热源将金属粉末固结成固体物质。 通过在高真空中用电子束逐层熔化金属粉末来制造部件。

该粉末床方法直接由具有目标材料特性的金属粉末产生完全致密的金属部件。 EBM机器从3D CAD模型读取数据并放置连续的粉末材料层。 利用计算机控制的电子束将这些层熔化在一起。 通过这种方式,它可以构建零件。 该过程在真空下进行,这使其适合于制造具有对氧的高亲和力的反应性材料的部件,例如钛。 已知该方法在较高温度(高达1000℃)下操作,这可通过固化和固态相变导致相形成的差异。

与混合物相反,粉末原料通常是预合金化的。 这方面允许通过选择性激光熔化(SLM)对EBM进行分类,其中诸如SLS和DMLS的竞争技术在制造之后需要热处理。 与SLM和DMLS相比,EBM具有更高的能量密度和扫描方法,因此具有普遍优越的构建速率。

研究发展
最近的工作已由ORNL发表,证明了使用EBM技术来控制Inconel中的局部晶体晶粒取向。 其他值得注意的发展集中于开发工艺参数,以生产合金,如铜,铌,Al 2024,大块金属玻璃,不锈钢和铝化钛。 目前用于EBM的商业材料包括商业纯钛,Ti-6Al-4V,CoCr,Inconel 718和Inconel 625。

金属线基系统
另一种方法是使用电子束将焊丝熔化到表面上以构建零件。 这类似于熔融沉积建模的常见3D打印过程,但使用的是金属,而不是塑料。 通过这种方法,电子束枪提供用于熔化金属原料的能量源,金属原料通常是金属丝。 电子束是一种高效电源,可以使用电磁线圈精确聚焦和偏转,速率可达数千赫兹。 典型的电子束焊接系统具有高功率可用性,最常见的是30和42千瓦的系统。 使用带电子束的金属元件的一个主要优点是该工艺在1×10-4 Torr或更高的高真空环境中进行,提供无污染的工作区,通常不需要使用额外的惰性气体用于激光和基于电弧的工艺。 使用EBDM,将原料加入由电子束产生的熔池中。 通过使用计算机数字控制(CNC),熔池在基板上移动,在需要的地方添加材料以产生近净形状。 该过程以逐层的方式重复,直到产生所需的3D形状。

根据制造的部件,沉积速率可达每小时200立方英寸(3,300立方厘米)。 使用轻合金,例如钛,这意味着每小时40磅(18千克)的实时沉积速率。 各种工程合金与EBDM工艺兼容,并且可以从现有供应基地的焊丝形式获得。 这些包括但不限于不锈钢,钴合金,镍合金,铜镍合金,钽,钛合金以及许多其他高价值材料。

市场
钛合金广泛用于该技术,这使其成为医疗植入物市场的合适选择。

CE认证的髋臼杯自2007年起由两家欧洲骨科植入物制造商Adler Ortho和Lima Corporate与EBM一起批量生产。

美国植入物制造商Exactech也已获得FDA批准使用EBM技术制造的髋臼杯。

航空航天和其他高要求的机械应用也是目标,参见卢瑟福火箭发动机。

EBM工艺已经开发用于制造γ钛铝化物部件,目前正由Avio SpA和通用电气航空公司开发,用于生产用于燃气涡轮发动机的γ-TiAl中的涡轮叶片。