Overzicht van elektronenstraal smeltende 3d printer
3d-printer voor smelten met elektronenbundel is een additieve productietechnologie die vaak wordt gebruikt voor het 3D-printen van metalen onderdelen. Een elektronenbundel smelt selectief metaalpoeder laag voor laag op basis van een CAD-model om complexe geometrieën te bouwen die ongeëvenaard zijn door conventionele productie.
EBM 3D printers bieden voordelen zoals ontwerpvrijheid, mass customization, minder afval en lichtgewicht. De belangrijkste toepassingen zijn te vinden in de ruimtevaart, de medische, tandheelkundige en auto-industrie. Materialen die geprint worden op EBM systemen zijn onder andere titanium, nikkellegeringen, roestvrij staal, aluminium en kobalt-chroom.
EBM 3D Printer Soorten
| Printer | Fabrikant | Bouwvolume op | Laagdikte | Straal kracht |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM Spectra H | GE-additief | 275 x 275 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q10plus | GE-additief | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q20plus | GE-additief | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky Inc. | 1500 x 750 x 750 mm | 150 μm | 30-60 kW |
EBM afdrukproces
Het EBM-printproces werkt als volgt:
- Metaalpoeder wordt gelijkmatig over een bouwplaat verdeeld met behulp van een harkmechanisme
- Een elektronenbundel verwarmt het metaalpoeder selectief voor tot ongeveer 80% van het smeltpunt, waardoor de deeltjes aan elkaar sinteren.
- De elektronenbundel doet een tweede pass, waarbij het materiaal snel smelt volgens de laaggeometrie.
- De bouwplaat zakt naar beneden en er wordt nog een laag poeder over het bouwgebied verspreid.
- De stappen 2-4 worden herhaald totdat het volledige onderdeel is opgebouwd uit lagen gesmolten metaal.
Hardwareonderdelen EBM-printer
EBM-printers bevatten de volgende belangrijke hardwarecomponenten die het printproces mogelijk maken:
- Elektronenkanon: Genereert een gerichte elektronenbundel om het metaalpoeder selectief te smelten volgens de CAD-gegevens die in de printer zijn ingevoerd. Elektronen worden uitgezonden door een kathode van een wolfraamdraad en versneld tot een hoge kinetische energie. Elektromagneten richten en buigen de bundel af.
- Behandeling van poeder: Poedertrechters slaan ruw materiaal op dat voor elke printlaag op de bouwplaat wordt geharkt. Overtollig poeder wordt opgevangen en gezeefd voor hergebruik.
- Tank bouwen: Afgesloten kamer waar het smelten van de lagen gebeurt bij hoge temperatuur in een vacuüm. Voorzieningen zoals verwarmingselementen en thermische schilden handhaven omgevingen tot 1000°C in het bouwgebied.
- Controle systeem: Hiermee kunnen bedrijfsparameters zoals snelheid, bundelvermogen, scanpatronen en temperatuur worden geregeld via de software van de printerinterface. Maakt ook het laden van CAD-modellen mogelijk.
EBM printbare materialen
| Materiaal | Type | Kenmerken | Toepassingen | Leveranciers | Prijs |
|---|---|---|---|---|---|
| Titanium legeringen | Ti-6Al-4V (graad 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | Uitstekende verhouding sterkte/gewicht, biocompatibiliteit, corrosiebestendigheid | Ruimtevaartonderdelen, medische implantaten en hulpmiddelen | AP&C, Timmerman Technologie | $350-$500 per kg |
| Nikkel legeringen | Inconel 718, Inconel 625, Inconel 939 | Hoge temperatuursterkte, weerstand tegen corrosie en oxidatie | Onderdelen voor luchtvaartmotoren, apparatuur voor energieopwekking | Sandvik | $500-$800 per kg |
| Roestvrij staal | 316L, 17-4PH, 15-5PH, duplex | Hoge hardheid en slijtvastheid | Voedingsmiddelen/medische apparaten, gereedschap, auto's | Sandvik, LPW-technologie | $90-$350 per kg |
| Kobaltchroom | CoCrMo | Uitstekende vermoeiingssterkte en slijtage-eigenschappen | Tandheelkundige copings en bruggen, medische implantaten | SLM-oplossingen | $270-$520 per kg |
| Aluminium | AlSi10Mg | Lage dichtheid, goede thermische geleidbaarheid | Beugels voor de ruimtevaart, auto-onderdelen | AP&C | $95-$150 per kg |
Voordelen van EBM 3D printen
| Parameter | Voordeel |
|---|---|
| Ontwerpvrijheid | Complexe geometrieën zoals roosters, interne kanalen zijn printbaar |
| Snelle prototypering | Iteraties gemaakt in dagen vs weken voor traditionele methoden |
| Massa-aanpassing | Dezelfde printer kan verschillende gepersonaliseerde onderdelen maken |
| Hoge dichtheid | Dicht metaal nabij 100% met mechanische eigenschappen die traditionele productie benaderen |
| Minimale bewerking | Minder nabewerking omdat de afdrukkwaliteit vrij goed is |
| Minder afval | Alleen benodigde hoeveelheid materiaal gebruiken vs. subtractieve processen |
| Consistente kwaliteit | Volledig geautomatiseerd proces maakt herhaalbaarheid over builds mogelijk |
| Kostenvoordelen | Schaalvoordelen door consolidatie van gereedschap, assemblage en logistiek via consolidatie van onderdelen |
Beperkingen van EBM afdrukken
| Nadeel | Beschrijving |
|---|---|
| Geometrische beperkingen | Ondersteunde hoeken beperkt rond 60° overstek, minimale wanddikte 0,3-0,4 mm |
| Poeder verwijderen | In interne kanalen of volumes die niet zijn blootgesteld aan buitenlucht kan poeder zijn ingesloten. |
| Straalafsluitingen | Sommige holle gebieden of diepe interne kenmerken kunnen onbereikbaar zijn voor de elektronenbundel |
| Thermische spanningen | Snelle verwarming/koeling tijdens verwerking kan scheurvorming veroorzaken door thermische gradiënten |
| Nabewerking | Sommige secundaire nabewerkingen zijn nog steeds nodig voor gladdere oppervlakken of nauwere toleranties |
| Beperkingen in bouwgrootte | Onderdelen die groter zijn dan de afmetingen van de printerenvelop kunnen niet worden afgedrukt |
| Hoge uitrustingskosten | Printers $500,000+, beperken toepassing door kleinere bedrijven en individuele gebruikers |
Kostenverdeling
Hieronder ziet u een kostenvergelijking voor het maken van 10cobalt-chrome tandheelkundige copings op een Arcam EBM-printer:
| Onkosten | Totaal ($) | Per eenheid ($) |
|---|---|---|
| Afschrijving printer | $2,000 | $200 |
| Materiaal (CoCrMo poeder) | $1,500 | $150 |
| Werk | $100 | $10 |
| Totaal | $3,600 | $360 |
Daarentegen zou het uitbesteden van de fabricage van waspatronen + verlorenwasgieten voor 10 eenheden $600 per eenheid kosten - EBM biedt dus een aanzienlijke kostenreductie per eenheid, vooral bij hogere volumes.
3d-printer voor smelten met elektronenbundel Leveranciers
Enkele toonaangevende fabrikanten van EBM-printers en leveranciers van metaalpoedermaterialen zijn:
| Bedrijf | Locatie hoofdkantoor | Aangeboden printermodellen | Ondersteunde materialen |
|---|---|---|---|
| GE-additieven | Canada | Arcam EBM Spectra, Q-serie | Ti-6-4, Inconel, CoCr, meer |
| Sciaky Inc. | Verenigde Staten | EBAM 300-serie | Titaanlegeringen, staal, aluminium |
| SLM-oplossingen | Duitsland | N.V.T. | CoCr, roestvrij staal, meer |
| Timmerman technologie | Verenigde Staten | N.V.T. | Ti-6-4, Inconel-legeringen, roestvrij staal |
| LPW-technologie | Verenigd Koninkrijk | N.V.T. | Nikkellegeringen, poeders van aluminiumlegeringen |
| Sandvik | Zweden | N.V.T. | Osprey® metaalpoeders voor EBM |
De gemiddelde systeemkosten bedragen $500.000 tot $1 miljoen inclusief hulpapparatuur zoals poederverwijderingsstations. De materialen variëren van $100 per kg voor aluminium tot $800 per kg voor speciale nikkelsuperlegeringen.
3d-printer voor smelten met elektronenbundel Normen en certificeringen
De belangrijkste normen in verband met kwaliteit, specificaties en procescontrole voor elektronenstraalsmeltsystemen zijn onder andere:
| Standaard | Beschrijving |
|---|---|
| ISO 17296-2 | Additieve vervaardiging van metalen - Proces, materialen & geometrieën |
| ASTM F2971 | Standaardpraktijk voor productie van metalen onderdelen door EBM |
| ASTM F3184 | Standaard voor EBM-hardwarekwalificatie |
| ASME BPVC Sec II-C | Definieert goedgekeurde EBM-materiaal specificaties |
Zowel de EBM hardware als het kwaliteitssysteem van de fabrikant kunnen gecertificeerd zijn volgens ISO 9001. Voor luchtvaarttoepassingen gelden aanvullende specificaties zoals AS9100D.
Elektronenstraalsmelten vs Ander Metaal AM
| Parameter | Elektronenbundel smelten | Laserpoederbedfusie | Gerichte energiedepositie |
|---|---|---|---|
| Warmtebron | Versnelde elektronenbundel | Krachtige Yb-vezellaser | Gerichte laser of e-straal |
| Atmosfeer | Vacuüm | Inert gas | Lucht of inert gas |
| Scanmethode | Rastering gericht punt | Rasteren van gefocuste laserspot | Rastering of single spot |
| Depositiesnelheid | 4-8 cm$^3$/uur | 4-20 cm$^3$/uur | 10-100 cm$^3$/uur |
| Nauwkeurigheid | ± 0,1-0,3 mm of ± 0,002 mm/mm | Tot ±0,025 mm of ± 0,002 mm/mm | > 0,5 mm |
| Oppervlakteafwerking | 15 μm Ra, 50 μm Rz | Tot 15 μm ruwheid | > 25 μm ruwheid |
| Kosten per onderdeel | Medium | Medium | Laagste |
Toepassingen van 3d-printer voor smelten met elektronenbundel
Vanwege de mogelijkheid om complexe geometrieën te produceren in verschillende hoogwaardige metalen, wordt elektronenstraalsmelten gebruikt in industrieën zoals:
Lucht- en ruimtevaart: Het lichter maken van ruimtevaartonderdelen zoals beugels en steunen van titanium en nikkellegering biedt voordelen op het gebied van brandstofefficiëntie. EBM maakt ook de consolidatie van vloeistofgeleidingskanalen en montagefuncties in afzonderlijke onderdelen mogelijk.
Medisch en tandheelkundig: Kobaltchroom- en titaniumimplantaten met poreuze oppervlakken die osseo-integratie bevorderen, kunnen via EBM worden aangepast aan de anatomie van de patiënt. Aanzienlijk maatwerk en afvalvermindering ten opzichte van traditionele standaard implantaatmaten en -vormen.
Automobiel: Lichtgewicht onderdelen zoals aluminium of titanium kleppendeksels en remklauwen verminderen het gewicht van het voertuig voor een beter brandstofverbruik. Korte series van aangepaste turbocompressorwielen die geoptimaliseerd zijn voor racetoepassingen zijn ook economisch haalbaar.
Gereedschap: Conforme koelkanalen kunnen worden ingebouwd in spuitgietgereedschap om cyclustijden te verkorten. Snelle doorlooptijd van 10-20 iteraties van de lay-out van koelkanalen is mogelijk met EBM in plaats van weken voor conventionele methoden.
Veelgestelde vragen
| Vraag | Antwoord |
|---|---|
| Hoe is de productnauwkeurigheid tussen EBM en traditionele productieprocessen? | Maatnauwkeurigheid en toleranties tot ±0,1 mm zijn mogelijk voor EBM, vergelijkbaar met de grenzen van gieten en smeden. CNC-bewerking kan indien nodig nauwere toleranties van ±0,01 mm bereiken. |
| Heeft de ruwe EBM-afwerking van het geprinte oppervlak nabewerking nodig? | Ja, het trapeffect veroorzaakt doorgaans een ruwheid van 10-15 μm. Tuimelen, polijsten, stralen of machinaal bewerken geeft een gladdere afwerking tot 0,5 μm indien nodig. |
| Kan elke metaallegering worden gebruikt voor EBM of zijn bepaalde samenstellingen ongeschikt? | Legeringen die gevoelig zijn voor scheuren in de vaste fase door thermische spanningen kunnen een uitdaging vormen - zeer hoge uitzettingscoëfficiënten van meer dan 15 μm/(m ̊C) moeten worden vermeden. |
| Wat is de belangrijkste afweging tussen poederbedfusieprocessen met laser- en elektronenstralen? | Lasers bieden snellere opbouwsnelheden tot 100 cm$^3$/hr, maar het maximale bundelvermogen is beperkt tot 1 kW. Krachtigere e-stralen van 8-60 kW maken diepere penetratie in dichte metalen mogelijk met een hogere energie-efficiëntie. |
Samenvatting
Electron beam melting maakt gebruik van een geconcentreerde, krachtige elektronenbundel in een vacuüm om metaalpoederdeeltjes laag voor laag selectief te versmelten tot volledig dichte onderdelen worden gevormd. EBM 3D printers bouwen zeer complexe geometrieën die door geen enkele andere technologie worden geëvenaard, wat maatwerk, lichtgewicht en onderdelenconsolidatie mogelijk maakt in industrieën variërend van medische apparatuur tot onderdelen voor de ruimtevaart. Hoewel de maximale printvolumes beperkt zijn in vergelijking met andere additieve of conventionele metaaltechnieken, opent elektronenstraalsmelting nieuwe ontwerpmogelijkheden en flexibele productiebenaderingen die voorheen niet mogelijk waren.
