Het smelten van elektronenbundels (EBM) is een additieve productietechnologie die vaak wordt gebruikt voor het 3D-printen van metaal. EBM gebruikt een krachtige elektronenstraal als warmtebron om metaalpoeders selectief laag voor laag te smelten en samen te smelten om volledig dichte onderdelen rechtstreeks uit CAD-gegevens op te bouwen.
Vergeleken met andere 3D-printmethoden voor metaal, zoals lasergebaseerde processen, biedt EBM een aantal unieke voordelen op het gebied van bouwsnelheid, materiaaleigenschappen, kwaliteit en kosteneffectiviteit. Het heeft echter ook enkele beperkingen op het gebied van resolutie, oppervlakteafwerking en materiaalopties.
Deze gids biedt een gedetailleerd overzicht van de technologie voor het smelten van elektronenstralen, waaronder:
- Hoe EBM werkt
- Apparatuurtypes en hoofdcomponenten
- Materialen en toepassingen
- Ontwerp Overwegingen
- Procesparameters
- Voordelen en beperkingen
- Vergelijking van leveranciers
- Bedrijfsrichtlijnen
- Kostenanalyse
- Het kiezen van het juiste EBM-systeem
Hoe het smelten van elektronenstralen werkt
Het EBM-proces vindt plaats in een hoogvacuümkamer gevuld met inert argongas. Metaalpoeder wordt met behulp van harken in dunne lagen over een bouwplatform verspreid. Een elektronenbundel van een elektronenkanon wordt gebruikt om selectief gebieden van elke poederlaag te smelten en samen te smelten volgens slice-gegevens van een CAD-model.
Het bouwplatform wordt stapsgewijs verlaagd met elke nieuwe laag. Onderdelen worden rechtstreeks op het platform gebouwd zonder dat er ondersteunende structuren nodig zijn vanwege de geometrie-onafhankelijke aard van poederbedfusie. Na voltooiing wordt overtollig poeder verwijderd om het solide 3D-geprinte onderdeel zichtbaar te maken.
De hoge energiedichtheid van de elektronenbundel resulteert in een snel smelten en stollen, waardoor hoge bouwsnelheden mogelijk zijn. Het EBM-proces vindt plaats bij verhoogde temperaturen tot 1000°C, waardoor restspanningen en vervormingen worden verminderd.
Onderdelen geprint met EBM bereiken een dichtheid van meer dan 99%, met materiaaleigenschappen die vergelijkbaar of superieur zijn aan traditionele productie.
EBM-apparatuurtypen en componenten
EBM-systemen bevatten de volgende hoofdcomponenten:
Elektronen pistool – genereert een gefocusseerde straal van hoogenergetische elektronen
Controle van de straal – elektromagneten geleiden en buigen de elektronenbundel af
Hoogspanningsvoeding – versnelt elektronen tot 60 kV
Vacuümkamer – zorgt voor een hoogvacuümomgeving
Poederdosering – zet metaalpoederlagen af en verspreidt deze
Poedercassettes/trechters – poeder opslaan en afleveren
Platform bouwen – neemt geleidelijk af naarmate er lagen worden opgebouwd
Verwarmingsspiralen – verwarmt het poederbed voor tot 1000°C
Bedieningsconsole – computer en software om het systeem te bedienen
Er zijn een paar varianten van commerciële EBM-machines:
| EBM-systeem | Envelop bouwen | Straal kracht | Laagdikte |
|---|---|---|---|
| Arcam A2X | 200 x 200 x 380 mm | 3kW | 50-200 micron |
| Arcam Q10plus | 350 x 350 x 380 mm | 5,4 kW | 50-200 micron |
| Arcam Q20plus | 500 x 500 x 400 mm | 7kW | 50-200 micron |
| Arcam SpectraL | 275 x 275 x 380 mm | 1kW | 50-200 micron |
| Sciaky EBAM | 1500 x 1500 x 1200 mm | 15-60 kW | 200 micron |
Grotere bouwbereiken en een hoger straalvermogen maken snellere bouwwerkzaamheden, grotere onderdelen en een hogere productiviteit mogelijk. Kleinere machines hebben doorgaans een fijnere resolutie en oppervlakteafwerking.
EBM-materialen en toepassingen
De meest gebruikte materialen bij EBM zijn:
- Titaniumlegeringen zoals Ti-6Al-4V
- Superlegeringen op nikkelbasis zoals Inconel 718 en Inconel 625
- Kobalt-chroomlegeringen
- Gereedschapsstaal zoals H13, maragingstaal
- Aluminium legeringen
- Koperlegeringen
- Roestvast staal zoals 17-4PH, 316L
Belangrijke toepassingen van EBM zijn onder meer:
- Lucht- en ruimtevaart – turbinebladen, waaiers, structurele beugels
- Medisch – orthopedische implantaten, protheses
- Automotive – motorsportcomponenten, gereedschap
- Industrieel – onderdelen voor vloeistofbehandeling, warmtewisselaars
- Gereedschappen - spuitgietmatrijzen, spuitgieten, extrusiematrijzen
Voordelen van EBM voor deze toepassingen zijn onder meer:
- Hoge sterkte en weerstand tegen vermoeidheid
- Complexe geometrieën met roosters en interne kanalen
- Korte levertijden voor metalen onderdelen
- Consolidatie van assemblages tot één stuk
- Lichtgewicht en ontwerpoptimalisatie
- Maatwerk en personalisatie van onderdelen
EBM-ontwerpoverwegingen
EBM legt een aantal ontwerpbeperkingen op:
- Minimale wanddikte van 0,8-1 mm om instorten te voorkomen
- Geen ondersnijdingen of horizontale overhangen
- 45° max. niet-ondersteunde uitsteeksels
- Open interne kanalen met een diameter van minimaal 1 mm
- Fijne functies beperkt tot een resolutie van 0,5-1 mm
Ontwerpen moeten steile thermische gradiënten vermijden om restspanning te minimaliseren:
- Uniforme wanddikte
- Geleidelijke overgangen in sectiedikte
- Binnensteunen en roosters voor grote volumes
Nabewerkingen zoals machinaal bewerken, boren en polijsten kunnen de oppervlakteafwerking verbeteren.
EBM-procesparameters
Belangrijkste EBM-procesparameters:
- Elektronenbundel – Straalstroom, focus, snelheid, patroon
- Poeder – Materiaal, laagdikte, deeltjesgrootte
- Temperatuur – Voorverwarmen, temperatuur opbouwen, scanstrategie
- Snelheid – Puntafstand, contoursnelheid, arceersnelheid
Deze parameters bepalen eigenschappen zoals dichtheid, precisie, oppervlakteafwerking en microstructuur:
| Parameter | Typisch bereik | Effect op onderdeeleigenschappen |
|---|---|---|
| Straalstroom | 5-40mA | Energie-input, grootte van het smeltbad |
| Straalsnelheid | 104-107 mm/sec | Energiedichtheid, koelsnelheid |
| Laagdikte | 50-200 μm | Resolutie, oppervlakteruwheid |
| Bouw temperatuur | 650-1000°C | Restspanning, vervorming |
| Scansnelheid | 500-10.000 mm/s | Oppervlakteafwerking, porositeit |
| Patroon scannen | Schaakbord, unidirectioneel | Anisotropie, dichtheid |
Nauwkeurige afstemming van deze parameters is vereist om optimale materiaaleigenschappen en nauwkeurigheid voor elke legering te bereiken.
Voordelen van elektronenbundelsmelten
De belangrijkste voordelen van EBM zijn onder meer:
- Hoge opbouwsnelheid – tot 80 cm3/uur mogelijk
- Volledig dichte onderdelen – dichtheid van meer dan 99% bereikt
- Uitstekende mechanische eigenschappen – sterkte, hardheid, weerstand tegen vermoeidheid
- Hoge nauwkeurigheid en herhaalbaarheid – nauwkeurigheid van ±0,2 mm
- Minimale ondersteuning nodig – vermindert nabewerking
- Hoge temperatuuropbouw – vermindert reststress
- Lage vervuiling – zeer zuivere vacuümomgeving
De hoge scansnelheden resulteren in snelle smelt- en stollingscycli, waardoor fijnkorrelige microstructuren ontstaan. Door de laaggewijze bouwmethode ontstaan onderdelen die vergelijkbaar zijn met de eigenschappen van smeedwerk.
Beperkingen van het smelten van elektronenbundels
Nadelen van EBM zijn onder meer:
- Beperkte resolutie – minimale featuregrootte ~0,8 mm
- Ruwe oppervlakteafwerking – trapvormig effect, vereist afwerking
- Beperkte materialen – momenteel voornamelijk Ti-legeringen, Ni-legeringen, CoCr
- Hoge uitrustingskosten – $350.000 tot $1 miljoen+ voor machine
- Langzame voorverwarmingstijden – 1-2 uur om de bouwtemperatuur te bereiken
- Verontreinigingsrisico – zirkonium kan reactieve legeringen verontreinigen
- Poederbeheer – recycling, verwerking van fijne poeders
- Vereisten voor zichtlijn – horizontale overhangen niet mogelijk
Het anisotrope gelaagde bouwpatroon en het “traptrede”-effect van gesinterde poederlagen creëren zichtbare strepen op naar boven gerichte oppervlakken. De elektronenbundel kan alleen materiaal samensmelten in de directe zichtlijn.
Leveranciers van EBM-machines
De belangrijkste fabrikanten van EBM-apparatuur zijn onder meer:
| Leverancier | Modellen | Materialen | Straal kracht | Prijsbereik |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM (GE) | A2X, Q10plus, Q20plus | Ti-, Ni- en CoCr-legeringen | 3-7 kW | $350,000-$800,000 |
| Sciaky | EBAM 300, 500-serie | Ti, Al, Inconel, staal | 15-60 kW | $500.000-$1,5 miljoen |
| dichtslaan | slm280 | Al, Ti, CoCr, gereedschapsstaal | 5kW | $500,000-800,000 |
| JEOL | JEM-ARM200F | Ni-legeringen, staal, Ti | 3kW | $700,000-900,000 |
Arcam EBM-systemen hebben de breedste materiaalmogelijkheden, terwijl Sciaky grootschalige productieoplossingen biedt. SLM Solutions en JEOL leveren ook EBM-technologie gericht op metalen.
Besturing van EBM-systemen
Om een EBM-machine te bedienen:
- Installeer EBM-apparatuur met de juiste voeding, koeling, inert gas en afzuigventilatie.
- Laad CAD-gegevens en voer bouwparameters in EBM-software in
- Zeef en laad het metaalpoeder in cassettes
- Verwarm het poederbed voor op de procestemperatuur
- Kalibreer de focus en het vermogen van de elektronenbundel
- Begin met het opbouwen van lagen terwijl de straal poeder scant en smelt
- Laat onderdelen langzaam afkoelen voordat u ze uit de machine verwijdert
- Verwijder overtollig poeder met behulp van stofzuigen
- Snijd onderdelen uit de bouwplaat en voer nabewerking uit
Een juiste verwerking en opslag van poeder is van cruciaal belang om besmetting te voorkomen die defecten kan veroorzaken. Regelmatig onderhoud van de straalgloeidraad, poederfilters en het vacuümsysteem is ook essentieel.
EBM-verwerkingskostenanalyse
Kostenfactoren voor EBM-productie:
- Afschrijving van machines – ~15-20% van de totale onderdeelkosten
- Werk – machinebediening, nabewerking
- Poeder – $100-500/kg voor titaniumlegeringen
- Stroom – hoog elektriciteitsverbruik tijdens de bouw
- Argon – dagelijks spoelgasverbruik
- Onderhoud – straalbron, vacuümsysteem, harken
- Nabewerking – verwijderen van steun, oppervlakteafwerking
Schaalvoordelen kunnen worden bereikt door kleinere onderdelen in één keer te batchen. Grotere machines produceren onderdelen sneller en kosteneffectiever. De hoge systeemkosten vooraf worden over meer onderdelen verdeeld.
Bij productie met een laag volume minimaliseert het uitbesteden aan een servicebureau de overhead van de apparatuur.
Hoe u een EBM-systeem kiest
Belangrijke overwegingen bij het selecteren van een EBM-machine:
- Bouw envelop – overeenkomen met de vereisten voor onderdeelgroottes
- Precisie – minimale featuregrootte en vereisten voor oppervlakteafwerking
- Materialen – legeringen die nodig zijn voor toepassingen
- Doorvoer – dagelijkse/maandelijkse productievolumedoelen
- Energiebehoeften – beschikbare elektrische voedingscapaciteit
- Software – gebruiksgemak, flexibiliteit, dataformaten
- Nabewerking – afwerkingstijd en kosten
- Opleiding en ondersteuning – installatie, bediening, onderhoud
- Totale prijs – systeemprijs, bedrijfskosten, poeder
Voer testbuilds uit van voorbeeldonderdelen op verschillende EBM-systemen om de werkelijke onderdeelkwaliteit en -economie te beoordelen.
Investeer in de grootste bouwschil die past bij budget- en ruimtebeperkingen om toekomstige uitbreiding mogelijk te maken. Werk samen met een gerenommeerde leverancier die voortdurende technische ondersteuning kan bieden.
FAQ
Vraag: Hoe nauwkeurig is EBM?
A: Maatnauwkeurigheid en toleranties van ±0,2 mm zijn typisch voor EBM-onderdelen. Fijne kenmerken tot 0,3 mm zijn mogelijk.
Vraag: Welke materialen kunnen naast metalen in EBM worden gebruikt?
A: EBM is beperkt tot geleidende metaallegeringen. Fotopolymeren en keramiek kunnen momenteel niet worden verwerkt vanwege de energiebron van de elektronenbundel.
Vraag: Heeft EBM ondersteuning nodig?
A: EBM vereist geen ondersteunende structuren voor overhangen van minder dan 45° vanwege de geometrie-onafhankelijke aard van poederbedfusie. Minimale interne steunen kunnen helpen bij grote holle profielen.
Vraag: Wat is de oppervlakteafwerking?
A: As-built EBM-onderdelen hebben relatief ruwe oppervlakken als gevolg van poederlagen en scansporen. Er zijn verschillende hoeveelheden bewerking, slijpen of polijsten nodig om de oppervlakteafwerking te verbeteren.
Vraag: Hoe duur is EBM vergeleken met andere 3D-printprocessen?
A: EBM-apparatuur heeft hogere initiële kosten van $350.000 tot meer dan $1 miljoen. Maar de hoge bouwsnelheid kan dit compenseren door de onderdeelkosten op schaal te verlagen. De proceskosten per onderdeel zijn concurrerend met andere 3D-printmethoden voor metaal.
Vraag: Is er nabewerking nodig voor EBM-onderdelen?
A: De meeste EBM-onderdelen hebben wat nabewerking nodig, zoals snijden uit de bouwplaat, spanningsverlichting, oppervlaktebewerking, gaten boren, slijpen of polijsten om de uiteindelijke afwerking, tolerantie en uiterlijk van het onderdeel te bereiken. Er kan een minimale handmatige bijwerking nodig zijn om scherpe randen te breken of ruwheid te verminderen.
