الصهر بالحزمة الإلكترونية (EBM) هي تقنية تصنيع مضافة تُستخدم في تطبيقات مثل الفضاء والطب والسيارات. تستخدم تقنية EBM شعاع الإلكترون كمصدر للطاقة لإذابة المسحوق المعدني بشكل انتقائي طبقة تلو الأخرى لبناء أجزاء كثيفة بالكامل.
نظرة عامة على عملية معدات الصهر بالحزمة الإلكترونية
يعمل صهر الحزمة الإلكترونية باستخدام مدفع شعاع إلكتروني عالي الطاقة لصهر المسحوق المعدني بشكل انتقائي. تتم العملية في غرفة تفريغ عالية التفريغ على صفيحة بناء متحركة. فيما يلي بعض التفاصيل الرئيسية:
- يقوم مدفع الحزمة الإلكترونية بتوليد حزمة مركزة عالية الطاقة من الإلكترونات باستخدام ملفات كهرومغناطيسية وجهد كهربي عالٍ
- يتم توجيه شعاع الإلكترون مغناطيسيًا، على غرار شعاع الكاثود في تلفزيونات CRT
- يتم تسخين صفيحة البناء مسبقًا إلى حوالي نصف درجة انصهار المسحوق المعدني
- يتم تغذية المسحوق المعدني بالجاذبية من الكاسيتات ويتم جرفه إلى طبقات رقيقة عبر لوحة البناء
- يمسح شعاع الإلكترون كل طبقة، ويذيب المناطق بناءً على نموذج CAD
- يتم تكرار العملية طبقة تلو الأخرى حتى يتم بناء الجزء الكامل
- صُممت الدعامات لتثبيت الأجزاء على اللوحة ولكن إزالتها أسهل من العمليات المعتمدة على الليزر
- المواد الشائعة هي التيتانيوم، وسبائك النيكل، والفولاذ المقاوم للصدأ، والألومنيوم، والكوبالت والكروم
المزايا: أجزاء كثيفة بالكامل مع بنية مجهرية دقيقة وخصائص ميكانيكية مطابقة للمواد المطاوعة. تشطيب سطح جيد ودقة أبعاد جيدة.
العيوب: عدد محدود من السبائك المتوافقة، وتكلفة معدات أعلى من العمليات القائمة على الليزر، ومعدلات بناء أبطأ.
التطبيقات: المكونات الفضائية، وزرعات تقويم العظام، وقطع غيار السيارات، وقنوات التبريد المطابقة، والشبكات المعدنية.
مواد تغذية المساحيق المعدنية المستخدمة في الصهر بالحزمة الإلكترونية
تلعب المواد الأولية للمساحيق المعدنية دورًا حاسمًا في جودة المكونات وخصائص المواد. وتشمل السبائك الشائعة المستخدمة ما يلي:
تضمن المساحيق الدقيقة في التوزيع الأمثل للحجم ثبات قاع المسحوق بشكل سلس وطبقات موحدة للحصول على جودة أعلى للجزء. ينتج الانحلال بالبلازما والانحلال الغازي مساحيق كروية مرغوب فيها للتعبئة أثناء ترسيب الطبقات.
الموردون: AP&C، مضافات كاربنتر، ساندفيك أوسبري، براكسير، LPW Technology
الصهر بالحزمة الإلكترونية معلمات العملية
تستخدم ماكينات EBM برنامجًا خاصًا لتوليد استراتيجيات المسح الضوئي وتحسين معلمات البناء. تتضمن بعض المعلمات الرئيسية ما يلي:
يتم تسخين اللوح إلى درجات حرارة عالية لتقليل الهشاشة وتخفيف الضغوط وتجنب التدرجات الحرارية الكبيرة. تحدد سرعة الشعاع وتباعد الفتحات مقدار الطاقة التي يتم وضعها في كل وحدة مساحة من المسحوق. كما يؤثر تركيز الشعاع وسُمك الطبقة أيضًا على ظروف الانصهار المحلي. تؤثر طرق المسح المختلفة على الضغوط المتبقية والبنى المجهرية.
مزايا التصنيع الإضافي بالحزمة الإلكترونية
تتضمن بعض مزايا الإدارة البيئية الإلكترونية ما يلي:
| الميزة | المزايا |
|---|---|
| كثافة طاقة الشعاع العالي | الذوبان والتصلب السريع الذي يعزز البنى المجهرية الدقيقة |
| بيئة الفراغ | معالجة المواد النظيفة تقلل من شوائب الأكسيد والفراغات |
| التسخين المسبق بدرجة حرارة عالية | يقلل من الضغوط والتشوهات المتبقية |
| الذوبان الكامل | يحقق كثافة تزيد عن 99.9% مماثلة للمواد المشغولة |
| مثبتات الدعم | إزالة أسهل مقارنة بالدعامات الشبكية الدقيقة في الليزر |
| أجزاء متعددة لكل بناء | الإنتاج الفعال للمكونات الصغيرة |
يسمح شعاع الإلكترون عالي التركيز بالترسيب السريع والدقيق للغاية للطاقة في طبقة المسحوق. يمنع الفراغ التلوث بينما يوفر التسخين المسبق خصائص المواد المرغوبة. وهذا يسهل الكثافة الكاملة عبر الأجزاء المعقدة.
القيود والمقارنات مع العمليات الأخرى
| محددات | مقارنة بالليزر |
|---|---|
| ارتفاع تكلفة المعدات | أنظمة الحزمة الإلكترونية التي تزيد قيمتها عن 750,000 دولار مقابل 300,000 دولار لليزر |
| معدلات بناء أبطأ | ما يصل إلى 110 سم3/ساعة في الساعة للإلكترونيات الكهرومغناطيسية مقابل 150 سم3/ساعة لليزر |
| سبائك محدودة | أكثر من 20 سبيكة تجارية لأشعة الليزر مقابل 10 سبائك تجارية ل EBM |
| حجم الجزء | 1500 × 1500 × 1200 مم كحد أقصى لمكعبات EBM مقابل 1000 مم لمكعبات الليزر |
| تشطيب السطح | أكثر خشونة في EBM عند 25 ميكرون مقابل 12 ميكرون ل DMLS |
| المناطق المتأثرة بالحرارة | أصغر في EBM بسبب التصلب السريع |
يمكن لشعاع الإلكترون المركز تحقيق أحواض ذوبان أصغر ومسح أسرع من الليزر لتقليل العيوب. ولكن يتميز كل من DMLS و SLM القائم على الليزر ببناء أسرع وتشطيبات سطحية أفضل حاليًا. كما أن نطاق السبائك المتوافقة يتوسع بشكل أسرع بكثير لعمليات دمج قاع المسحوق بالليزر من خلال آليات أفضل لنشر المسحوق وإعادة الطلاء.
تطبيقات الصهر بالحزمة الإلكترونية الأجزاء
تتضمن بعض الصناعات التي تستخدم الإدارة الإلكترونية للبيانات الإلكترونية ما يلي:
| الصناعة | المكونات |
|---|---|
| الفضاء | شفرات التوربينات، وأجزاء الصواريخ، ومكونات الطائرات بدون طيار |
| الطبية | غرسات تقويم العظام مثل الوركين والركبتين وأجهزة تقويم العظام |
| السيارات | خطوط التبريد المطابقة، النماذج الأولية |
| الأدوات | قوالب الحقن ذات القنوات المطابقة |
| الطاقة | الصمامات والمضخات لبيئات النفط والغاز |
ونظراً للمعالجة بالتفريغ، فإن تقنية EBM مناسبة بشكل فريد للمعادن التفاعلية مثل التيتانيوم والتنتالوم. وقد استُخدمت على نطاق واسع لتصنيع مكونات TI-6Al-4V الفضائية ذات الأشكال الهندسية الداخلية المعقدة. أما في المجال الطبي، فيتم استخدام كروم الكوبالت والصلب المقاوم للصدأ المصنوع من الكوبالت والصلب المقاوم للصدأ باستخدام تقنية EBM في الغرسات الخاصة بالمرضى ذات الهياكل المسامية الشبيهة بالعظام.
تستخدم صناعات السيارات والطاقة والأدوات بشكل متزايد تقنية DMLS و EBM للنماذج الأولية خفيفة الوزن والتركيبات والتركيبات مع تصميمات التبريد المطابق. يعمل ذلك على تحسين زمن الاستجابة وإدارة الحرارة.
موردو معدات الصهر بالحزمة الإلكترونية
فيما يلي بعض من كبرى الشركات المصنعة لأنظمة EBM:
تأسست شركة Arcam في عام 1997 وهي الآن جزء من شركة GE Additive. وقد ركزت في البداية على إنتاج الغرسات الطبية ولكنها تستهدف الآن أيضاً صناعة الطيران والسيارات. تقدم شركة Sciaky تقنية EBM الصناعية واسعة النطاق للتصنيع باستخدام تقنية EBM لسبائك التيتانيوم والنيكل التي يصل طولها إلى 10 أقدام. كما تمتلك كل من شركة Additive Industries وTramf وGeneral Atomics طابعات EBM المعدنية ثلاثية الأبعاد قيد التطوير للتطبيقات المتقدمة.
وبالإضافة إلى شراء تجهيزات كاملة للتصنيع الإلكتروني، يمكن للعملاء أيضًا الوصول إلى قدرات مكتب خدمات جنرال إلكتريك&8217 الواسعة حول العالم أو يمكنهم العمل مع المصنعين المحليين المتخصصين الذين يقدمون مقاولات تصنيع المعادن في مجال تصنيع المعادن.
التوقعات المستقبلية للتصنيع الإضافي بالحزمة الإلكترونية
تبدو آفاق صهر الحُزم الإلكترونية واعدة في الصناعات التي ترغب في مكونات معدنية عالية الأداء ذات هياكل جيولوجية داخلية معقدة:
- توسيع نطاق خيارات السبائك –؛ الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والنحاس
- مظاريف بناء أكبر لطباعة مجمعات الوقود الكاملة أو أبواب الطائرات
- زيادة معدلات البناء من خلال الأنظمة متعددة الحزم
- التصنيع الهجين من خلال الجمع بين التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي والتصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي
- معلمات خاصة بالتصميم لخصائص المواد المحسّنة
- التحكم في الحلقة المغلقة للمراقبة والتصحيح في الموقع
- معالجة متخصصة بعد المعالجة لتحسين خشونة السطح الجانبية
- أدوات المحاكاة لنمذجة الإجهاد المتبقي وتأثيرات التشوه
من خلال التغلب على القيود المفروضة على السرعة وقيود الحجم وتوافر السبائك مع الانتقال إلى أسفل منحنى التكلفة، يمكن أن ينمو استخدام الآلة الكهروضوئية الإلكترونية من سوق تبلغ قيمته 400 مليون دولار حاليًا إلى 5-10 مليارات دولار بحلول عام 2030. ومن المتوقع أن تقود قطاعات الطيران والطب والسيارات والطاقة هذا الارتفاع الهائل خلال العقد القادم.
التعليمات
فيما يلي إجابات على بعض الأسئلة المتداولة حول التصنيع المضاف بالحزمة الإلكترونية:
ما هي المواد التي يمكنك معالجتها باستخدام EBM؟
السبائك الأكثر شيوعًا هي Ti-6Al-4V وTi-6Al-4V ELI وCoCr، وكذلك سبائك النيكل مثل Inconel 718 وسبائك الألومنيوم وسبائك الألومنيوم والفولاذ للأدوات والفولاذ المقاوم للصدأ 316L. يجب أن تتوافق تركيبة وجودة المواد الأولية للمسحوق مع مواصفات صناعة الطيران والطب الحيوي.
ما مدى دقة الإدارة الإلكترونية؟
تصل دقة الأبعاد إلى ± 0.2% مع تفاوتات تصل إلى ± 100 ميكرون بشكل عام. ولكن تحقيق التوزيعات الإحصائية الضيقة غالبًا ما يتطلب الكبس المتساوي الاستاتيكي الساخن والتشغيل الآلي لتحسين تشطيب السطح.
ما هي الصناعات التي تستخدم هذه التقنية؟
وتستخدم صناعات الفضاء والدفاع والفضاء والطب وطب الأسنان وسباقات السيارات والنفط والغاز في المقام الأول اليوم تقنية EBM. تسهّل طاقة الحزمة العالية المقترنة بدرجات حرارة الغرفة العالية معالجة المواد التفاعلية وخصائص المواد المتفوقة.
كيف يمكن المقارنة بين EBM والذوبان الانتقائي بالليزر (SLM)؟
تنتج تقنية EBM قطع Ti-6Al-4V كثيفة بالكامل مع قوة شد واستطالة فائقة مقارنةً بتقنية SLM. كما أنها تتعامل مع المواد التفاعلية بشكل أفضل مع مشاكل تلوث أقل. ولكن تتيح ماكينة SLM حاليًا دقة أعلى، وتشطيبات سطحية أدق تصل إلى 12 ميكرون، ومعدلات بناء أسرع.
ما هي طرق ما بعد المعالجة المستخدمة في أجزاء EBM؟
دعم الإزالة عن طريق السفع الكاشطة أو عجلات القطع أو الماكينة EDM السلكية، متبوعة بالتشغيل الآلي أو الطحن أو الصقل لتلبية متطلبات الأبعاد وخشونة السطح حسب الاستخدام. يساعد الكبس المتساوي الحرارة (HIP) على التخلص من الفراغات الداخلية وتخفيف الضغوط.
ما هي أنواع القنوات الداخلية والجغرافية التي يمكن إنتاجها باستخدام نظام EBM؟
تعد قنوات التبريد المستقيمة بزوايا ضحلة وهياكل الجدران الرقيقة والشبكات والشبكات الهندسية الشبكية شائعة. من الممكن أيضًا استخدام أشكال حرة الشكل معقدة مثل الهياكل العظمية التربيقية. وقد تم عرض أحجام ميزات تصل إلى 0.4 مم، ولكنها تتدرج مع سُمك الطبقة.
خاتمة
باختصار، يوفر ذوبان الحزمة الإلكترونية مزايا كبيرة مقارنة بتقنيات التصنيع التقليدية للمكونات المعدنية المعقدة عالية الأداء في قطاعات الطيران والطب والسيارات والدفاع. مع استمرار تحسن القدرات حول أحجام البناء الأكبر، والأنظمة متعددة الحزم، والمعالجة اللاحقة المتخصصة، من المتوقع أن يتم اعتمادها على نطاق أوسع في صناعات النقل والطاقة والإنتاج الصناعي خلال العقد المقبل.