Растущий спрос на сложные детали в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая и медицинская (конкретные отрасли), является движущей силой роста отрасли электронно-лучевой плавки (EBM). Согласно исследованию, в 2024 году рынок EBM достиг примерно 210 миллионов долларов США, и ожидается, что к 7.60 году он вырастет на 2031%.
Содержание:
Что такое электронно-лучевая плавка (ЭЛП)?
Электронно-лучевая плавка является передовым методом 3D печать Технология, которая использует высокоэнергетический электронный луч для выборочного плавления металлического порошка, слой за слоем, в вакуумной среде. В отличие от обычное спекание металлов Технология EBM позволяет изготавливать полностью плотные металлические детали без пор.
Технология EBM позволяет изготавливать компоненты с минимальной толщиной 0.05 мм и высокой точностью ±0.4 мм, что позволяет применять ее не только в аэрокосмической и медицинской промышленности, но также в автомобильной промышленности и исследовательских целях.
Процесс электронно-лучевой плавки
Ниже представлен пошаговый подробный процесс EBM.
- 3D проектирование здания: В первую очередь создается и оптимизируется конструкция необходимых компонентов с помощью модели CDA.
- Подготовка рабочей пластины и загрузка порошка: Здесь обеспечивается чистота рабочей пластины во избежание любого загрязнения, а также загрузка исходного сырья в электронно-лучевую плавильную машину.
- Создание вакуума: На этом этапе, чтобы избежать любого рода окисления металлического порошка во время плавки, камера сборки помещается в вакуум с давлением 0.0001 мбар.
- Нанесение порошка и предварительный нагрев:
Платформа сборки покрыта тонким равномерным слоем порошкового металла. Электронный луч спекает металлический порошок, нагревая его примерно до 600–1000 °C.
Избирательное плавление и послойное строительство:
Управляемый лазерный луч фокусируется на порошкообразном металле с помощью магнитных пластин и отклоняющих катушек, что приводит к избирательному плавлению порошка, образующего первый слой. Теперь опускается платформа сборки, и распределяется новый слой металлического порошка, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут сформированы все слои.
- Обработка после сборки
Здесь платформа сборки удаляется, и остатки спеченного порошка очищаются. Наконец, полученная деталь очищается с помощью ультразвука.
Материалы для электронно-лучевой плавки
Электронно-лучевая плавка (EBM) использует материалы с высокой проводимостью, прочностью, температурой плавления и коррозионной стойкостью. Вот некоторые распространенные материалы:
Титан и титановый сплав
Титан и титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, демонстрируют замечательное соотношение прочности и веса, хорошую биосовместимость и высокую устойчивость к коррозии. В EBM используются металлический порошок титана с высокой сферичностью, хорошей текучестью и низким содержанием примесей, с диапазоном диаметров частиц 45~105 мкм.
Порошок сплава на основе никеля
Такие сплавы, как Inconel 718 и 625, используются в 3D-печати методом электронной микроскопии для создания коррозионно-стойких деталей тяжелой техники, поскольку они подходят для эксплуатации в условиях высоких нагрузок.
Кобальт-хромовые сплавы:
Эти сплавы известны своей исключительной твердостью и износостойкостью, которые используются в EBM для создания твердых и прочных, долговечных компонентов. Эти сплавы включают стандарт ASTM F75.
Инструментальная сталь:
Металлические порошки используются для изготовления деталей, требующих высокой твердости и прочности, таких как H13, а мартенситно-стареющая сталь используется в качестве материала для EBM.
Электронно-лучевая плавильная машина
Машина EBM состоит из следующих компонентов.
Электронно-лучевая пушка: Эта пушка состоит из вольфрамовой нити, которая действует как источник электронов, и генерирует луч, который затем используется для расплавления порошкового металла.
Вакуумная камера: Весь процесс EBM осуществляется в вакуумной камере, чтобы предотвратить любое окисление или нежелательную реакцию.
Порошковая кровать: Эти компоненты используются для считывания металлического порошка, который будет использоваться в процессе. Электромагнитные катушки: Эти катушки играют ключевую роль в этом процессе, поскольку они отвечают за управление направлением электронного луча в соответствии с проектом, подаваемым моделью САПР.
Преимущества и недостатки электронно-лучевой плавки
Преимущества электронно-лучевой плавки
Высокая эффективность использования материала
Технология EBM обеспечивает максимальную эффективность использования материалов, поскольку неиспользованный порошковый металл можно перерабатывать, что значительно сокращает отходы.
Точность в сложной геометрии
Технология EBM позволяет создавать сложные, высокоточные компоненты, которые сложно изготовить традиционными методами.
Обработка металлов с высокой температурой плавления
Эта технология облегчила обработку металлов с высокой температурой плавления, таких как титан и вольфрам, которые было трудно обрабатывать традиционными методами.
Зеленые Технологии
ЭМБ производит минимальное загрязнение по сравнению с традиционными методами обработки металлов.
Недостатки электронно-лучевой плавки
Вот некоторые недостатки или ограничения электронно-лучевой плавки:
Очень дорогое оборудование
Машина для аддитивного производства на основе технологии ebm является довольно дорогостоящей, а ее установка требует огромных затрат, поскольку весь процесс необходимо выполнять в вакуумной камере.
Низкая скорость обработки
Скорость обработки данных методом EBM низкая и требует много времени, особенно при производстве крупных компонентов.
Материальные ограничения
Поскольку в этом методе используется электронный луч, его можно применять для обработки проводникового материала.
Более низкая отделка поверхности и разрешение
Из-за рассеивания луча EBM производит детали с более шероховатой поверхностью. Из-за этого требуется дополнительная постобработка для достижения желаемой гладкости и точности.
Применение электронно-лучевой плавки
EBM нашел свое применение во многих отраслях. Вот некоторые из них;
Аэрокосмическая индустрия
Благодаря своей способности производить легкие, но прочные компоненты, он используется для изготовления деталей самолетов. Кроме того, он также используется для изготовления более прочных деталей двигателей, выдерживающих большие нагрузки.
Защита
Электронная металлургия находит применение в создании важнейших оборонительных компонентов, которые надежно работают в суровых условиях и устойчивы к износу.
Мед
EBM используется для создания индивидуальных имплантатов, таких как металлические леса, черепные, зубные и ортопедические имплантаты.
Автомобили:
Производство автомобильной оснастки, а также прочных и высоконагруженных деталей двигателей и коробок передач осуществляется с помощью EBM.
В будущем развитии EBM
Будущее развитие EBM сосредоточено на снижении эксплуатационных расходов для этой оптимизированной стратегии сканирования, и многолучевые системы проходят испытания. Исследования материалов EBM расширяют совместимость с передовыми сплавами и композитами посредством индивидуальных порошковых формул. Улучшенный контроль электронного луча и мониторинг на месте улучшат точность для сложных геометрий.
Электронно-лучевая плавка против селективной лазерной плавки
| Особенность | Электронно-лучевая плавка (ЭЛП) | Селективное лазерное плавление (SLM) |
|---|---|---|
| Энергетический ресурс | Электронный луч | Мощный лазер |
| Атмосфера | вакуум | Инертный газ (аргон или азот) |
| Используемый материал | Проводящие металлы (титан, никелевые сплавы) | Широкий ассортимент (титан, алюминий, сталь и т. д.) |
| Размер частицы | 45 – 106 мкм | 20 – 45 мкм |
| Скорость сборки | Быстрее (несколько точек плавления) | Медленнее (по одной точке за раз) |
| Разрешение | Ниже (из-за рассеивания луча) | Выше (более точное плавление) |
| Чистота поверхности | Грубее, требует последующей обработки | Более плавный, требуется меньше постобработки |
| Структура поддержки | Требуется меньшая поддержка (из-за высоких температур) | Требуется дополнительная поддержка |
| Остаточный стресс | Нижний (постепенный нагрев и охлаждение) | Выше (быстрое охлаждение вызывает стресс) |
| Приложения | Аэрокосмическая промышленность, Медицинские имплантаты, Турбинные лопатки | Аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, медицина, инструментальная промышленность |
| Стоимость | Выше (благодаря вакууму и оборудованию) | Нижний (менее сложная установка) |
FAQ
1. Что такое эффект Баллинга при электронно-лучевой плавке?
Эффект шариков в EBM возникает, когда расплавленный металл образует сферические капли вместо гладких слоев. Это происходит из-за неправильной скорости сканирования, высокого поверхностного натяжения или недостаточного предварительного нагрева.
2. Работает ли электронно-лучевая плавка с химически активными металлами?
Да, технология EBM идеально подходит для реактивных металлов, таких как титан и тантал, поскольку использование вакуума предотвращает любые нежелательные реакции.
3. Почему для электронно-лучевой плавки необходим вакуум?
Для EBM требуется вакуумная камера для устранения кислорода и других загрязняющих веществ. Это предотвращает окисление и обеспечивает чистые, высококачественные металлические детали с минимальным количеством примесей.