ما هو ذوبان شعاع الإلكترون؟

يُشكّل الطلب المتزايد على الأجزاء المعقدة في مختلف الصناعات، مثل صناعة الطيران والصناعات الطبية (وخاصة الصناعات المتخصصة)، دافعًا قويًا لنمو صناعة صهر شعاع الإلكترون (EBM). ووفقًا للدراسة، سيصل حجم سوق صهر شعاع الإلكترون إلى حوالي 2024 ملايين دولار أمريكي في عام 210، ومن المتوقع أن ينمو بنسبة 7.60% بحلول عام 2031.

ما هو ذوبان حزمة الإلكترونات (EBM)؟

ذوبان شعاع الإلكترون هو تقنية متقدمة الطباعة 3D تقنية تستخدم شعاعًا إلكترونيًا عالي الطاقة لصهر مسحوق المعدن بشكل انتقائي، طبقة تلو الأخرى، في بيئة مفرغة من الهواء. على عكس التلبيد المعدني التقليدي بفضل هذه التقنيات، أصبحت شركة EBM قادرة على إنتاج أجزاء معدنية كثيفة بالكامل وخالية من المسامية.

تتمتع شركة EBM بالقدرة على إنتاج مكونات بسمك أدنى يبلغ 0.05 مم وقدرة تحمل عالية تبلغ ±0.4 مم مما يؤدي إلى تطبيقها ليس فقط في مجال الفضاء والطب ولكن أيضًا في مجالات السيارات والبحث.

عملية الصهر بحزمة الإلكترونات

فيما يلي عملية مفصلة خطوة بخطوة لـ EBM.

• مبنى التصميم ثلاثي الأبعاد: أولاً، يتم تصميم المكونات المطلوبة وتحسينها باستخدام نموذج CDA.
• تحضير لوحة البناء وتحميل المسحوق: هنا، يتم ضمان نظافة لوحة البناء لتجنب أي تلوث، كما يتم تحميل المواد الخام في آلة صهر شعاع الإلكترون.
• خلق الفراغ: في هذه الخطوة، لتجنب أي نوع من أكسدة مسحوق المعدن أثناء الذوبان، يتم غلق غرفة البناء في فراغ بضغط 0.0001 ملي بار.
• طبقات المسحوق والتسخين المسبق:

منصة البناء مغطاة بطبقة رقيقة وموحدة من مسحوق المعدن. شعاع إلكتروني يُلبّد مسحوق المعدن عند درجة حرارة تتراوح بين 600 و1000 درجة مئوية.

الذوبان الانتقائي والبناء طبقة تلو الأخرى:

يُسلط شعاع ليزر مُتحكم به على المعدن المسحوق بمساعدة صفائح مغناطيسية وملفات انحراف، مما يؤدي إلى ذوبان انتقائي للمسحوق المُشكل للطبقة الأولى. بعد ذلك، تُخفض منصة البناء، وتُنشر طبقة جديدة من مسحوق المعدن، وتُكرر العملية حتى تتشكل جميع الطبقات.

• معالجة ما بعد البناء

هنا، تُزال منصة البناء، ويُنظف أي مسحوق مُلبَّد متبقٍّ. وأخيرًا، يُنظَّف الجزء الناتج بالموجات فوق الصوتية.

مواد ذوبان شعاع الإلكترون

تستخدم تقنية صهر شعاع الإلكترون (EBM) مواد عالية التوصيلية، والقوة، ودرجة حرارة الانصهار، ومقاومة التآكل. فيما يلي بعض المواد الشائعة:

التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

تُظهر قوى التيتانيوم وسبائك التيتانيوم، مثل Ti-6Al-4V، نسبة قوة إلى وزن رائعة وتوافق حيوي جيد ومقاومة عالية للتآكل. تستخدم EBM مسحوق معدن التيتانيوم مع كروية عالية، سيولة جيدة ومحتوى منخفض من الشوائب، مع نطاق قطر الجسيمات من 45 إلى 105 ميكرومتر.

مسحوق سبائك قائم على النيكل

تُستخدم هذه السبائك، مثل Inconel 718 و625، في الطباعة ثلاثية الأبعاد EBM لبناء أجزاء مقاومة للتآكل من الآلات الثقيلة لأنها مناسبة للتطبيقات ذات الضغط العالي.

سبائك الكوبالت والكروم:

تشتهر هذه السبائك بصلابتها الاستثنائية ومقاومتها للتآكل، وتُستخدم في صناعة هياكل البناء (EBM) لبناء مكونات صلبة وأقوى وأكثر متانة. وتتوافق هذه السبائك مع معيار ASTM F75.

أداة الصلب:

يتم استخدام مساحيق المعادن لبناء المكونات التي تتطلب صلابة ومتانة عالية، مثل H13، ويتم استخدام الفولاذ الماراجيني كمادة EBM.

آلة صهر شعاع الإلكترون

يتكون جهاز EBM من المكونات التالية.

بندقية شعاع الإلكترون: يتكون هذا المسدس من خيوط التنغستن، والتي تعمل كمصدر للإلكترونات، ويتم توليد شعاع يستخدم بعد ذلك في إذابة مسحوق المعدن.

غرفة فراغ: يتم إجراء العملية برمتها في غرفة التفريغ لمنع أي نوع من الأكسدة أو التفاعل غير المرغوب فيه.

سرير المسحوق: تُستخدم هذه المكونات لقراءة مسحوق المعدن المُستخدم في العملية. الملفات الكهرومغناطيسية: تلعب هذه الملفات دورًا رئيسيًا في هذه العملية، إذ إنها مسؤولة عن التحكم في اتجاه شعاع الإلكترونات وفقًا للتصميم المُعتمد على نموذج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD).

مزايا وعيوب ذوبان شعاع الإلكترون

مزايا ذوبان شعاع الإلكترون

استخدام المواد العالية

تعمل تقنية EBM على تعظيم كفاءة المواد حيث يمكن إعادة تدوير المعادن المسحوقة غير المستخدمة، مما يقلل النفايات بشكل كبير.

الدقة في الهندسة المعقدة

تتمتع EBM بالقدرة على إنشاء مكونات معقدة وعالية الدقة يصعب تصنيعها بالطرق التقليدية

معالجة المعادن ذات نقطة الانصهار العالية

وقد سهلت هذه التقنية معالجة المعادن ذات نقطة الانصهار العالية، مثل التيتانيوم والتنجستن، والتي كان من الصعب التعامل معها بالطرق التقليدية.

التكنولوجيا الصديقة للبيئة

تنتج تقنية EMB الحد الأدنى من التلوث مقارنة بطرق التعامل مع المعادن التقليدية.

عيوب ذوبان شعاع الإلكترون

فيما يلي بعض سلبيات أو حدود ذوبان شعاع الإلكترون:

أجهزة باهظة الثمن

إن آلة التصنيع الإضافي EBM مكلفة للغاية، ويتطلب تركيبها كمية هائلة لأن العملية برمتها يجب أن تتم في غرفة التفريغ.

سرعة المعالجة بطيئة

تعتبر سرعة معالجة EBM بطيئة وتستغرق وقتًا طويلاً، خاصة عند إنتاج مكونات كبيرة.

القيود المادية

وبما أن هذه الطريقة تستخدم شعاعًا إلكترونيًا، فمن الممكن استخدامها لمعالجة المواد الموصلة.

تشطيب السطح السفلي والدقة

بفضل تشتت الشعاع، تُنتج تقنية EBM قطعًا ذات سطح أكثر خشونة. ولذلك، يلزم إجراء معالجة لاحقة إضافية لتحقيق النعومة والدقة المطلوبتين.

تطبيقات ذوبان شعاع الإلكترون

لقد وجدت إدارة الأعمال القائمة على الأدلة تطبيقها في العديد من الصناعات. فيما يلي بعض منها:

فضاء

بفضل قدرته على إنتاج مكونات خفيفة الوزن ومتينة، يُستخدم في تصنيع أجزاء الطائرات. ليس هذا فحسب، بل يُستخدم أيضًا في تصنيع أجزاء محركات أكثر متانة وتحملًا للضغط.

الدفاع

يتم استخدام EBM في بناء مكونات دفاعية عسكرية حاسمة وموثوقة للعمل في ظل ظروف قاسية ومقاومة للتآكل.

خدمات الطبية

يتم استخدام EBM لبناء غرسات مخصصة مثل السقالات المعدنية، زراعة الجمجمة والأسنان والعظام.

السيارات:

يتم تصنيع أدوات السيارات وأجزاء المحرك وعلب التروس المتينة وعالية الضغط بمساعدة EBM.

في التطوير المستقبلي للطب القائم على الأدلة

يركز تطوير الطب المبني على الأدلة (EBM) المستقبلي على خفض التكاليف التشغيلية لاستراتيجيات المسح المُحسّنة هذه، ويجري حاليًا اختبار أنظمة متعددة الحزم. ويسعى بحث مواد الطب المبني على الأدلة إلى توسيع نطاق التوافق مع السبائك والمركبات المتقدمة من خلال تركيبات مسحوق مُصممة خصيصًا. وسيُحسّن التحكم المُحسّن في حزمة الإلكترونات والمراقبة الموضعية دقة القياسات الهندسية المعقدة.

ذوبان شعاع الإلكترون مقابل ذوبان الليزر الانتقائي

الميزات	ذوبان شعاع الإلكترون (EBM)	ذوبان الليزر الانتقائي (SLM)
مصدر طاقة	شعاع الالكترون	ليزر عالي الطاقة
الغلاف الجوي	أجهزة شفط هواء	غاز خامل (أرجون أو نيتروجين)
المواد المستخدمة	المعادن الموصلة (التيتانيوم، سبائك النيكل)	مجموعة واسعة (التيتانيوم والألمنيوم والصلب وما إلى ذلك)
حجم الجسيمات	45-106 ميكرومتر	20-45 ميكرومتر
سرعة البناء	أسرع (نقاط انصهار متعددة)	أبطأ (نقطة واحدة في كل مرة)
دقة الشاشة	أقل (بسبب تشتت الشعاع)	أعلى (ذوبان أكثر دقة)
الانتهاء من السطح	أكثر خشونة، ويتطلب معالجة لاحقة	أكثر سلاسة، وأقل حاجة إلى المعالجة اللاحقة
هيكل الدعم	الحاجة إلى دعم أقل (بسبب درجات الحرارة المرتفعة)	مطلوب مزيد من الدعم
الإجهاد المتبقي	السفلي (التدفئة والتبريد التدريجي)	أعلى (التبريد السريع يسبب الإجهاد)
ذكية ومتخصصة	الفضاء، الغرسات الطبية، شفرات التوربينات	الفضاء والسيارات والطب والأدوات
التكلفة	أعلى (بسبب الفراغ والمعدات)	أقل (إعداد أقل تعقيدًا)

 

الأسئلة الشائعة

1. ما هو تأثير الكرة في ذوبان شعاع الإلكترون؟

يحدث تأثير التكور في الطب المبني على الأدلة (EBM) عندما يُشكّل المعدن المنصهر قطرات كروية بدلًا من طبقات ناعمة. ويعود ذلك إلى سرعة مسح غير مناسبة، أو توتر سطحي مرتفع، أو تسخين مسبق غير كافٍ.

2. هل تعمل تقنية ذوبان حزمة الإلكترونات مع المعادن التفاعلية؟

نعم، تعتبر تقنية EBM مثالية للمعادن التفاعلية مثل التيتانيوم والتنتالوم لأن استخدام الفراغ يمنع أي تفاعل غير مرغوب فيه.

3. لماذا يحتاج ذوبان شعاع الإلكترون إلى الفراغ؟

تتطلب تقنية EBM حجرة تفريغ لإزالة الأكسجين والملوثات الأخرى. هذا يمنع الأكسدة ويضمن قطعًا معدنية نظيفة وعالية الجودة مع الحد الأدنى من الشوائب.