Overzicht van Elektronenbundel smelten
Elektronenbundelsmelten (EBM) is een additief productieproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een stroombron met elektronenbundels om selectief metaalpoedermateriaal laag voor laag te smelten en samen te smelten om componenten op te bouwen.
Enkele belangrijke details over het smelten van elektronenstralen zijn onder meer:
- Gebruikt een elektronenstraalpistool onder vacuüm om het poeder te smelten.
- De opbouw vindt plaats bij hoge temperaturen, waardoor een goede hechting tussen de lagen mogelijk is.
- Hoofdzakelijk gebruikt voor Ti-, Ni-, Co-legeringen en andere hoogwaardige materialen.
- Biedt onderdelen met bijna volledige dichtheid met eigenschappen die de traditionele normen evenaren of overtreffen.
- Ondersteunt complexe geometrieën die niet haalbaar zijn met conventionele fabricage.
- Veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart-, medische en auto-industrie.
- Ook wel elektronenbundel-additive manufacturing (EBAM) of elektronenbundel-freeform-fabricage (EBF3) genoemd.
Apparatuur voor het smelten van elektronenbundels
| Type | Beschrijving |
|---|---|
| Elektronenstraal kanon | Genereert en focust een hoge energiestraal om het materiaal te smelten. Hoofdonderdeel. |
| Poeder bed | Bevat poederlagen die door messen of rollen worden aangeharkt. Gebouwd op een beweegbaar platform. |
| Vacuümkamer | Het hele systeem staat tijdens het bouwen onder vacuüm. Cruciaal voor straalfocus. |
| Controle systeem | Softwaresegmenten en besturingselementen bouwen parameters. Biedt procesbewaking en controle. |
| Behandelsysteem | Voor het laden/lossen van onderdelen en het recyclen van ongebruikt poeder. |
| Afscherming | Loodafscherming vereist rond de kamer vanwege het genereren van röntgenstraling. |
Materialen gebruikt in Elektronenbundel smelten
| Materiaal | Belangrijkste eigenschappen | typische applicaties |
|---|---|---|
| Titanium legeringen | Hoge sterkte-gewichtsverhouding, biocompatibiliteit | Lucht- en ruimtevaart, medische implantaten |
| Nikkel legeringen | Corrosiebestendigheid, hoge sterkte | Turbines, raketcomponenten |
| Kobalt-chroomlegeringen | Hardheid, slijtvastheid/corrosiebestendigheid | Medische implantaten, gereedschappen |
| Roestvrij staal | Goede duurzaamheid, eenvoudigere verwerking | Industrieel gereedschap, mallen |
| Aluminium legeringen | Laag gewicht | Lucht- en ruimtevaart, automobiel |
| Edelmetalen | Zeer chemisch inert | Sieraden, medisch |
EBM kan hoogwaardige legeringen moeilijk verwerken met lasergebaseerde processen vanwege de krachtintensiteit.
EBM-processpecificaties
| Parameter | Typisch bereik |
|---|---|
| Straal kracht | 1-3 kW |
| Straal spanning | 30-150 kV |
| Bouwgrootte | Maximaal 200 x 200 x 350 mm |
| Laag hoogte | 50-200 µm |
| Bouw snelheid | 5-100 cm3/uur |
| Grootte van de straal | Diameter van 0,1-1 mm |
| Vacuümniveau | 5 x 10-4 mbar |
| Straalfocus | Spotgrootte van 0,1-0,5 mm |
Met EBM-systemen kunnen parameters zoals straalvermogen, snelheid, focus enz. worden aangepast om af te stemmen op specifieke materialen.
Leveranciers van EBM-systemen
| Leverancier | Belangrijkste details | Beginprijsklasse |
|---|---|---|
| Leverancier 1 | Pionier van EBM-technologie. Grootste geïnstalleerde basis. | $1,2-$1,5 miljoen |
| Leverancier 2 | Systemen voor kleinere onderdelen. Hogere scansnelheden. | $0,8-$1,2 miljoen |
| Leverancier 3 | Onderzoek systemen. Parametercontrole openen. | $0,5-$0,8 miljoen |
Systeemkosten variëren op basis van bouwvolume, straalvermogen, meegeleverde accessoires en softwaremogelijkheden.
Hoe u een EBM-systeemleverancier kiest
Bij het selecteren van een EBM-systeemleverancier zijn de belangrijkste factoren waarmee u rekening moet houden onder meer:
- Technische expertise – De leverancier moet diepgaande kennis hebben van de elektronenbundelfysica, de metallurgie en proceservaring.
- Bewezen technologie – Zoek naar gerenommeerde leveranciers met een staat van dienst op het gebied van succesvolle systeeminstallaties.
- Applicatie ervaring – De leverancier moet de applicatiebehoeften van de klant begrijpen en passende systeemspecificaties aanbevelen.
- Systeembetrouwbaarheid – Kies leveranciers die bekend staan om het ontwikkelen van robuuste EBM-systemen met redelijke uptimes en service-intervallen.
- Besturingssoftware – De leverancier moet gebruiksvriendelijke software aanbieden voor het programmeren, monitoren en optimaliseren van builds.
- Technische hulp – Zoek naar responsieve ondersteuningsingenieurs om problemen op te lossen en de procesresultaten te helpen verbeteren.
- Opleiding – De leverancier moet uitgebreide training bieden over de bediening, het onderhoud en de veiligheid van de apparatuur.
- Toekomstige routekaart – Selecteer een leverancier die investeert in voortdurende EBM-innovaties voor uw langetermijnbehoeften.
Hoe u de EBM-proces
Om EBM-geprinte onderdelen van hoge kwaliteit te verkrijgen, volgt u deze best practices voor procesoptimalisatie:
- Begin met zeer zuivere bolvormige poedergrondstof, op maat gemaakt voor EBM. Hantering, opslag en hergebruik van poeder zijn ook cruciaal.
- Neem de tijd om het elektronenbundelprofiel en de focus te kalibreren. Beam shaping kan de dichtheid verder verbeteren.
- Stel een optimale straalstroom en scansnelheid in voor stabiel, homogeen smelten.
- Pas de straalfocus dynamisch aan tijdens het bouwen om rekening te houden met veranderingen in de geometrie.
- Stel de warmbedtemperatuur in op meer dan 700°C om restspanningen te verminderen en scheuren te voorkomen.
- Stem de parameters afzonderlijk af voor contouren versus gearceerde gebieden om de oppervlakteafwerking en resolutie te verbeteren.
- Optimaliseer ondersteunende structuren om te minimaliseren en toch voldoende verankering en warmteafvoer te bieden.
- Houd rekening met parameterverschillen tussen verschillende materialen; de instellingen van titaniumlegeringen verschillen bijvoorbeeld van die van nikkel-superlegeringen.
- Kies voor een iteratieve, empirische aanpak: voer testbuilds uit terwijl u de parameters varieert om de goede plekken te vinden.
Hoe onderdelen voor EBM te ontwerpen
Om met succes componenten te ontwerpen die geschikt zijn voor het EBM-proces:
- Ontwerp wanden dikker dan 0,4 mm om volledig smelten te garanderen en scheuren te voorkomen.
- Zorg voor een trekhoek van 5-15° op oppervlakken die schuin staan in de bouwrichting om het verwijderen van poeder te vergemakkelijken.
- Minimaliseer niet-ondersteunde overhangen om doorzakken en defecten op naar beneden gerichte oppervlakken te verminderen.
- Integreer roosters en conforme koelkanalen, mogelijk gemaakt door de ontwerpvrijheid van EBM.
- Consolideer subassemblages in afzonderlijke onderdelen om de kwaliteit te verbeteren en verwerkingsstappen te verminderen.
- Plaats onderdelen in de bouwkamer om de ondersteuningsvereisten te minimaliseren en botsingen tijdens het harken te voorkomen.
- Houd rekening met de lagere mechanische sterkte van 20-50% horizontaal versus verticaal vanwege de op lagen gebaseerde constructie.
- Houd rekening met een extra voorraad van 0,5-1 mm voor nabewerking, zoals oppervlaktebewerking of slijpen.
Werk nauw samen met EBM-machine-operators tijdens onderdeelontwerp-iteraties om hun proceskennis te benutten.
EBM-onderdelen nabewerken
Typische nabewerkingsstappen voor EBM-geprinte componenten zijn onder meer:
- Ondersteuning verwijderen – Eventuele steunconstructies voorzichtig met de hand of met snijgereedschap verwijderen.
- Stress verlichtend – Warmtebehandeling bij 600-800°C gedurende 1-3 uur om restspanningen te verlichten.
- Bewerking – CNC-frezen, draaien, boren om de maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking te verbeteren.
- Slijpen – Geautomatiseerd of handmatig slijpen zorgt voor nauwkeurige toleranties en fijnere afwerkingen.
- Polijsten – Zorgt voor een uitstekende oppervlakteafwerking, vrij van aangehechte poederdeeltjes.
- Coatings – Functionele coatings aanbrengen op hardheid, slijtvastheid, elektrische isolatie etc.
- Heet isostatisch persen (HIP) – Sluit interne holtes en verbetert de vermoeidheidsprestaties verder.
- Deelnemen – Integreer kenmerken zoals draadgaten, bevestigingsmiddelen enz. met behulp van geschikte technieken.
EBM-onderdelen nabewerken met behulp van gekwalificeerde operators met ervaring in het omgaan met de specifieke legeringssamenstelling.
Hoe te installeren en te integreren EBM Onderdelen
Bij het voorbereiden van EBM-geprinte onderdelen voor integratie in eindproducten:
- Reinig oppervlakken grondig om los poeder en oxidatie te verwijderen. Een goede reiniging verbetert de hechting.
- Breng indien nodig beschermende coatings aan – hard anodiseren, plateren, schilderen enz. verbeteren de bescherming tegen corrosie en slijtage.
- Houd rekening met verschillen in thermische uitzetting bij het verbinden van EBM-onderdelen met andere metalen componenten om spanningen te voorkomen.
- Selecteer verbindingstechnieken die geschikt zijn voor het materiaal – lassen, mechanische bevestiging, lijmen enz.
- Gebruik thermisch beheer – voorverwarmen en gecontroleerde koelsnelheden – tijdens het lassen of solderen.
- Valideer de functionaliteit van de assemblage onder operationele belastingen en omgevingen met behulp van prototyping en testen.
- Inspecteer op defecten met behulp van technieken zoals röntgen-, UT- en penetranttesten – van cruciaal belang voor toepassingen met hoge aansprakelijkheid.
Werk zij aan zij met ontwerpers en ingenieurs bij het integreren van EBM-onderdelen om robuuste, geoptimaliseerde prestaties bij de eindmontage te garanderen.
Bedienen en onderhouden van EBM-printers
Om een optimale werking van de EBM-printer te behouden en downtime te voorkomen:
- Voer gepland preventief onderhoud uit volgens de richtlijnen van de leverancier – vervang versleten onderdelen zoals schilden.
- Controleer regelmatig de xyz-nauwkeurigheid van de straal met behulp van kalibratiemethoden. Indien nodig opnieuw uitlijnen.
- Inspecteer de belangrijkste onderdelen van het vacuümsysteem – controleer de afdichtingen op lekken, controleer de pompen en vervang de filters regelmatig.
- Kalibreer geïntegreerde procesbewakingssensoren op voorgeschreven intervallen.
- Bewaak de vacuümkwaliteit voortdurend – identificeer en corrigeer eventuele lekkages onmiddellijk.
- Volg de aanbevolen reinigingsprocedures – houd de bouwkamer en het poederverwerkingssysteem schoon.
- Laat uitsluitend gekwalificeerde technici onderhoud uitvoeren aan de hoogspanningsbundelvoeding en het pistool.
- Zorg ervoor dat reserve-/slijtonderdelen zoals schilden, pompen en filters op voorraad zijn om stilstandtijd tot een minimum te beperken.
Plan onderhoudsstops tijdens perioden met laag volume. Bewaak de status van het EBM-systeem proactief tussen builds door.
Voor- en nadelen van Elektronenbundel smelten
Het smelten van elektronenstralen heeft zowel voordelen als beperkingen in vergelijking met conventionele productiemethoden:
Voordelen
- Fabriceert complexe geometrieën die op andere manieren niet mogelijk zijn.
- Consolideert subassemblages in afzonderlijke onderdelen.
- Vermindert afval – gebruikt alleen het benodigde materiaal.
- Verkort de ontwikkelingstijd voor nieuwe ontwerpen.
- Eigenschappen zijn gelijk aan of overtreffen traditionele middelen zoals gieten.
- Vereist geen bindmiddelen of extra steunen – resulteert in zuiverder materiaal.
Nadelen
- Hogere kosten per onderdeel bij lage productievolumes.
- Groottebeperkingen gebaseerd op bouwkamer.
- Materiaalkeuze beperkt vergeleken met andere AM-processen.
- Nabewerking is vaak nodig om de uiteindelijke onderdelen te verkrijgen.
- Anisotrope eigenschappen door laaggebaseerde opbouw.
- Vereist een aanzienlijke stroominvoer voor de elektronenbundel.
Houd bij het afwegen van EBM versus conventionele methoden rekening met hoeveelheden, omvang, eigenschappen, doorlooptijd en kosten. EBM blinkt uit in complexe, hoogwaardige metalen onderdelen, maar met hogere instelkosten.
FAQ
Vraag: Welke materialen kun je verwerken met EBM?
A: Tot nu toe voornamelijk titanium-, nikkel-, kobalt- en roestvrijstalen legeringen. Onderzoek breidt de materiaalopties uit, waaronder aluminium, gereedschapsstaal, goud, tantaal en meer.
Vraag: Wat is het belangrijkste verschil tussen EBM en selectief lasersmelten (SLM)?
A: EBM gebruikt een energiebron met elektronenbundels, terwijl SLM een laser gebruikt. De hogere bundelvermogensdichtheden die met EBM kunnen worden bereikt, maken de verwerking van meer vuurvaste metalen mogelijk.
Vraag: Welke industrieën gebruiken EBM-printen?
A: Lucht- en ruimtevaart is tot nu toe de grootste afnemer van componenten zoals turbinebladen. Maar ook de medische, automobiel- en industriële sector zijn steeds meer gebruikers van EBM.
Vraag: Produceert EBM poreuze of volledig dichte onderdelen?
A: EBM kan een dichtheid van meer dan 99% bereiken met optimale parameters. De opbouw bij hoge temperaturen verbetert de diffusiebinding tussen de lagen.
Vraag: Welke onderdelen kunt u maken met EBM?
A: De maximale grootte wordt beperkt door de bouwschil, doorgaans rond de 250 x 250 x 300 mm. Grotere systemen zijn in ontwikkeling, gericht op kubussen van 500 mm.
Vraag: Hoe nauwkeurig is EBM vergeleken met CNC-bewerking?
A: EBM kan toleranties bereiken tot 0,1-0,3 mm, mits goed gekalibreerd. Maar bewerking is nodig om nauwere toleranties onder 0,05 mm te bereiken.
Vraag: Wat zijn enkele belangrijke voordelen van EBM?
A: Ontwerpvrijheid, consolidatie van onderdelen, snelle prototyping, legeringen met hoge sterkte, minder afval en korte doorlooptijden vergeleken met traditionele fabricage.
Vraag: Welke veiligheidsmaatregelen zijn vereist voor EBM?
A: EBM-systemen genereren röntgenstraling, dus een adequate loodafscherming van de bouwkamer is van cruciaal belang. Alleen opgeleid personeel mag werken.
