Productie met elektronenbundel verwijst naar een additief fabricageproces dat een gerichte bundel hoogenergetische elektronen gebruikt om selectief metaalpoederdeeltjes te smelten en laag voor laag samen te smelten om rechtstreeks complexe 3D-onderdelen te maken.
Het proces, dat ook bekend staat als elektronenstraalsmelting (EBM) of elektronenstraalpoederbedfusie, biedt mogelijkheden zoals opbouwsnelheid, materiaaleigenschappen, oppervlakteafwerking en geometrische vrijheid die ongeëvenaard zijn bij traditionele fabricageroutes.
Deze gids geeft een overzicht van de mogelijkheden van elektronenbundelproductie, zoals procesmogelijkheden, materialen, toepassingen, systeemleveranciers, vergelijkingen en veelgestelde vragen bij het overwegen van een overstap.
Overzicht van het productieproces met elektronenbundels
- Metaalpoeder wordt gelijkmatig over de bouwplaat verspreid
- Elektronenbundel scant gedefinieerde paden voor het smelten van poeder
- Plaat indexeert naar beneden, nieuwe laag erop gespreid
- Thermische voorverwarming handhaaft de procestemperatuur
- Kamer onder vacuüm gehouden tijdens het bouwen
- Ondersteunt structuur waar nodig
- Laatste onderdelen weggesneden en afgewerkt indien nodig
Elektronenbundels bieden een snellere en diepere penetratie in geleidende materialen dan lasers, waardoor hogere bouwsnelheden met minder restspanning mogelijk zijn.
Materialen gebruikt bij elektronenbundelproductie
Er wordt een breed scala aan legeringen verwerkt, elk geoptimaliseerd voor chemie en deeltjesgrootteverdeling:
| Materiaal | Gemeenschappelijke legeringen | Overzicht |
|---|---|---|
| Titanium legering | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI | Mengsels van ruimtevaartkwaliteit met hoge sterkte, laag gewicht |
| Nikkel legering | Inconel 718, 625, Haynes 282 | Hitte- en corrosiebestendige superlegeringen voor turbines |
| Kobaltchroom | CoCrMo | Biocompatibele, slijtvaste legering voor implantaten |
| Roestvrij staal | 17-4PH, 316L, 304L | Hoge sterkte met corrosiebestendigheid |
| Gereedschapsstaal | H13, Maragingstaal | Extreme hardheid/slijtvastheid |
| Aluminium profiel | Schalmalloy | Snelle stolsnelheden op maat voor alle breedtes |
Voordelen zoals controle over de korrel- en defectstructuur bevorderen betere mechanische eigenschappen.
Kenmerken en toleranties
Naast op maat gemaakte legeringseigenschappen omvatten de belangrijkste procesmogelijkheden:
| Attribuut | Beschrijving |
|---|---|
| Oppervlakteafwerking | Ruwheid tot 5 μm, glad genoeg voor eindgebruik afhankelijk van de geometrie, geen nabewerking nodig |
| Eigenschap resolutie | Fijne details tot ~100 μm ondersteund door procesparameters |
| Nauwkeurigheid | ± 0,2% met 50 μm afwijking over 100 mm onderdeelafmetingen |
| Dikte | Meer dan 99,8% van theoretisch maximum, het hoogste van AM-metaalmethoden |
| Bouwgrootte | Componenten met een lengte van meer dan 1000 mm haalbaar, afhankelijk van het systeemmodel |
| Prototyping | Geschikt voor productie van enkele tot kleine series, ideaal voor technische modellen waarvoor metalen nodig zijn |
| Productie | Lucht- en ruimtevaart en medische industrie beginnen proces te certificeren voor de productie van onderdelen voor eindgebruik |
De consistentie en kwaliteit maken toepassingen met een hoge vraag mogelijk.
Elektronenbundel productie Toepassingen
| Industrie | Toepassingen | Voorbeelden van componenten |
|---|---|---|
| Lucht- en ruimtevaart | Constructiedelen, motoronderdelen | Turbinebladen, frames, steunen |
| Medisch | Orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten | Heup-, knie- en schedelimplantaten, klemmen |
| Automobiel | Lichtgewicht prestatieonderdelen | Turbinewielen, spruitstukken |
| Industrieel | Metaalproductie voor eindgebruik | Lichtgewicht robotarmen, onderdelen voor vloeistofverwerking |
Aanvullende speciale toepassingen maken gebruik van synergieën op het gebied van ontwerp, materiaal en prestaties.
Systeemfabrikanten en prijzen
| Fabrikant | Beschrijving | Basisprijs |
|---|---|---|
| Arcam (GE) | Pioniers met een reeks EBM-systeemmodellen | $1,5M – $2M |
| Velo3D | Geavanceerde systemen beloven fijnere details en hogere gebouwen | $$$$ |
| Jeol | Onderzoek en kleinschalige productie gericht | $$$ |
Operationele kosten voor materialen, argon en elektriciteit kunnen variëren van $100-$1000+ per dag, afhankelijk van de bouw.
Afwegingen tussen elektronenbundel en andere processen
Voordelen:
- Hogere bouwsnelheid dan poederbedlaserfusie
- Lagere restspanning dan lasermethoden
- Uitzonderlijke nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking
- Zeer zuiver uitgangsmateriaal voor eigenschappen
- Hoge potentiële toekomstige productievolumes
Minpunten:
- Nog in ontwikkeling vergeleken met andere poederbedtechnologieën
- Groottevermogen niet zo groot als lasermethoden
- Beschikbaarheid van materiaal neemt nog steeds toe
- Hogere eigendomskosten van apparatuur
- Beperkingen rond geometrieën die ondersteuning vereisen
Voor de juiste toepassingen, ongeëvenaard prestatiepotentieel.
Veelgestelde vragen
Wat bepaalt de maximale onderdeelgrootte?
Het maximale scangebied van het systeemmodel, beperkingen van de scanstrategie, thermische spanningen, beperkingen van de poederverspreidbaarheid en het aantal componenten bepalen de geteste afmetingen tot ~800 mm lengte.
Hoe beïnvloedt het proces de materiaaleigenschappen?
Snelle afkoelsnelheden van gecontroleerde thermische profielen zorgen voor fijne microstructuren die de sterkte verbeteren. De parameters zijn in evenwicht met restspanningen.
Wat bepaalt het vermogen om het oppervlak af te werken?
De combinatie van spotgrootte, bundelvermogen, scanstrategie, daaropvolgende poederlaagdikte, deeltjesvervuiling en thermische gradiëntinvloeden zorgt voor een uitzonderlijke oppervlaktekwaliteit vanaf de fabricage.
Welke veiligheidsmaatregelen zijn vereist?
Naast bescherming tegen poederverwerking vereisen elektronenbundelsystemen gecertificeerde ruimtes met afscherming van de kooi van Faraday, veiligheidsvergrendelingen en berekening van de maximale blootstellingsduur.
Wat zijn typische nabewerkingsstappen?
Nabewerkingsprocessen zoals heet isostatisch persen om porositeit te verminderen, warmtebehandelingen voor betere mechanische prestaties en subtractieve bewerkingen worden vaak gebruikt om onderdelen af te werken.
