FUSIÓN POR HAZ DE ELECTRONES (EBM) es una tecnología de fabricación aditiva que se utiliza en aplicaciones aeroespaciales, médicas y de automoción. La EBM utiliza un haz de electrones como fuente de energía para fundir selectivamente el polvo metálico capa por capa y construir piezas totalmente densas.
Visión general de los equipos de fusión por haz de electrones Proceso
La fusión por haz de electrones funciona utilizando un cañón de haz de electrones de alta potencia para fundir selectivamente polvo metálico. El proceso tiene lugar en una cámara de alto vacío sobre una placa de construcción móvil. He aquí algunos detalles clave:
- Un cañón de electrones genera un haz concentrado de electrones de alta energía mediante bobinas electromagnéticas y potencial de alto voltaje.
- El haz de electrones se dirige magnéticamente, de forma similar al rayo catódico de los televisores CRT.
- La placa de impresión se precalienta hasta la mitad del punto de fusión del polvo metálico.
- El polvo metálico se alimenta gravitacionalmente desde casetes y se rastrilla en capas finas a través de la placa de impresión.
- El haz de electrones escanea cada capa, fundiendo zonas basadas en el modelo CAD
- El proceso se repite capa por capa hasta construir la pieza completa.
- Los soportes se construyen para anclar las piezas a la placa, pero son más fáciles de retirar que los procesos basados en láser
- Los materiales más comunes son el titanio, las aleaciones de níquel, el acero inoxidable, el aluminio y el cromo-cobalto.
Ventajas: Piezas totalmente densas con microestructura fina y propiedades mecánicas iguales a las de los materiales forjados. Buen acabado superficial y precisión dimensional.
Inconvenientes: Número limitado de aleaciones compatibles, mayor coste de los equipos que los procesos basados en láser, velocidades de fabricación más lentas.
Aplicaciones: Componentes aeroespaciales, implantes ortopédicos, piezas de automoción, canales de refrigeración conformados, entramados metálicos.
Materias primas de polvo metálico utilizadas en la fusión por haz de electrones
La materia prima del polvo metálico desempeña un papel fundamental en la calidad de los componentes y las propiedades de los materiales. Las aleaciones más utilizadas son:
Los polvos finos con una distribución óptima de tamaños garantizan una estabilidad suave del lecho de polvo y capas uniformes para una mayor calidad de las piezas. La atomización por plasma y la atomización por gas producen polvos esféricos deseables para el empaquetado durante la deposición de capas.
Proveedores: AP&C, Carpenter Additive, Sandvik Osprey, Praxair, Tecnología LPW
FUSIÓN POR HAZ DE ELECTRONES Parámetros del proceso
Las máquinas EBM utilizan un software propio para generar estrategias de escaneado y optimizar los parámetros de construcción. Algunos parámetros clave son:
La placa se calienta a altas temperaturas para reducir la fragilidad, aliviar las tensiones y evitar grandes gradientes térmicos. La velocidad del haz y la separación de las escotillas determinan la cantidad de energía que se aplica a cada unidad de superficie de polvo. El enfoque del haz y el grosor de la capa también influyen en las condiciones locales de fusión. Los distintos enfoques de escaneado influyen en las tensiones residuales y las microestructuras.
Ventajas de la fabricación aditiva por haz de electrones
Algunas de las ventajas de la MBE son
| Característica | Beneficio |
|---|---|
| Alta densidad de potencia del haz | Fusión y solidificación rápidas que favorecen microestructuras finas |
| Entorno de vacío | El procesamiento limpio del material minimiza las inclusiones de óxido y los huecos |
| Precalentamiento a alta temperatura | Reduce las tensiones residuales y la deformación |
| Fundición completa | Alcanza una densidad superior al 99,9%, similar a la de los materiales forjados |
| Anclajes de soporte | Eliminación más fácil en comparación con los delicados soportes reticulares de los láseres |
| Múltiples piezas por construcción | Producción eficiente de componentes pequeños |
El haz de electrones altamente focalizado permite una deposición muy rápida y precisa de energía en el lecho de polvo. El vacío evita la contaminación, mientras que el precalentamiento proporciona las propiedades deseables del material. Esto facilita la densidad total en piezas complejas.
Limitaciones y comparaciones con otros procesos
| Limitaciones | Comparación con los láseres |
|---|---|
| Mayor coste de los equipos | Sistemas de haz de electrones de más de $750.000 frente a $300.000 para láseres |
| Tasas de construcción más lentas | Hasta 110 cm3/hora para EBM frente a 150 cm3/hora para láser |
| Aleaciones limitadas | Más de 20 aleaciones comerciales para láser frente a 10 para EBM |
| Tamaño de la pieza | 1500 x 1500 x 1200 mm máx. para EBM frente a cubos de 1000 mm para láser |
| Acabado superficial | EBM más rugoso a 25 micras frente a 12 micras para DMLS |
| Zonas afectadas por el calor | Más pequeño en EBM debido a su rápida solidificación |
El haz de electrones focalizado puede conseguir charcos de fusión más pequeños y escanear más rápido que el láser para reducir los defectos. Sin embargo, los procesos DMLS y SLM basados en láser ofrecen actualmente construcciones más rápidas y mejores acabados superficiales. La gama de aleaciones compatibles también se está ampliando mucho más rápidamente para los procesos de fusión de lecho de polvo por láser gracias a mejores mecanismos de esparcimiento y recubrimiento del polvo.
Aplicaciones de FUSIÓN POR HAZ DE ELECTRONES Piezas
Algunas de las industrias que utilizan la EBM son
| Industria | Componentes |
|---|---|
| Aeroespacial | Álabes de turbina, piezas de cohetes, componentes de UAV |
| Médico | Implantes ortopédicos como caderas, rodillas, dispositivos traumatológicos |
| Automotor | Líneas de refrigeración conformadas, prototipos |
| Herramientas | Moldes de inyección con canales conformados |
| Energía | Válvulas, bombas para entornos de petróleo y gas |
Gracias al procesamiento en vacío, la EBM es especialmente adecuada para metales reactivos como el titanio y el tantalio. Se ha utilizado ampliamente para fabricar componentes aeroespaciales TI-6Al-4V con geometrías internas complejas. En el ámbito médico, el cromo-cobalto y el acero inoxidable EBM se utilizan para implantes específicos para pacientes con estructuras porosas similares al hueso.
Los sectores de la automoción, la energía y las herramientas utilizan cada vez más DMLS y EBM para prototipos, plantillas y accesorios ligeros con diseños de refrigeración conformada. Esto mejora los plazos de entrega y la gestión del calor.
Proveedores de equipos de fusión por haz de electrones
Estos son algunos de los principales fabricantes de sistemas de EBM:
Arcam se fundó en 1997 y ahora forma parte de GE Additive. Al principio se centró en la producción de implantes médicos, pero ahora también se dedica a la industria aeroespacial y de automoción. Sciaky ofrece EBM industrial a gran escala para aleaciones de titanio y níquel de hasta 3 metros de longitud. Additive Industries, Trumpf y General Atomics también están desarrollando impresoras 3D metálicas EBM para aplicaciones avanzadas.
Además de adquirir configuraciones completas de EBM, los clientes también tienen acceso a la amplia capacidad de la oficina de servicios de GE en todo el mundo o pueden trabajar con fabricantes especializados locales que ofrecen contratos de AM metálica.
Perspectivas de futuro de la fabricación aditiva por haz de electrones
Las perspectivas de la fusión por haz de electrones parecen prometedoras en todas las industrias que desean componentes metálicos de alto rendimiento con geomestructuras internas complejas:
- Gama cada vez más amplia de opciones de aleación: acero inoxidable, aluminio, cobre
- Sobres de construcción más grandes para imprimir conjuntos de combustible completos o puertas de aviones.
- Mayores índices de construcción gracias a los sistemas multihaz
- Fabricación híbrida combinando EBM y mecanizado CNC informatizado
- Parámetros específicos del diseño para mejorar las propiedades de los materiales
- Control de bucle cerrado para supervisión y corrección in situ
- Tratamiento posterior especializado para mejorar la rugosidad de la superficie lateral
- Herramientas de simulación para modelizar la tensión residual y los efectos de la distorsión
Al superar las limitaciones de velocidad, las restricciones de tamaño y la disponibilidad de aleaciones, al tiempo que se desciende en la curva de costes, el uso de la EBM podría pasar de un mercado actual de $400 millones a $5-10.000 millones en 2030. Se espera que los sectores aeroespacial, médico, automovilístico y energético impulsen este meteórico aumento durante la próxima década.
Preguntas más frecuentes
Aquí encontrará respuestas a algunas preguntas frecuentes sobre la fabricación aditiva por haz de electrones:
¿Qué materiales puede procesar con EBM?
Las aleaciones más comunes son Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI y CoCr, pero también aleaciones de níquel como Inconel 718, aleaciones de aluminio, acero para herramientas y acero inoxidable 316L. La composición y la calidad de la materia prima del polvo deben cumplir las especificaciones aeroespaciales y biomédicas.
¿Qué grado de precisión tiene la MBE?
La precisión dimensional alcanza hasta ±0,2% con tolerancias de hasta ±100 micras generalmente. Pero para lograr distribuciones estadísticas ajustadas suele ser necesario el prensado isostático en caliente y el mecanizado para mejorar el acabado superficial.
¿Qué sectores utilizan esta tecnología?
Las industrias aeroespacial, de defensa, espacial, médica y dental, automovilística, petrolera y del gas utilizan principalmente la EBM en la actualidad. La alta energía del haz junto con las altas temperaturas de la cámara facilitan el procesamiento reactivo del material y unas propiedades superiores del mismo.
¿En qué se diferencia la EBM de la fusión selectiva por láser (SLM)?
La EBM produce piezas totalmente densas de Ti-6Al-4V con una resistencia a la tracción y un alargamiento superiores a los de la SLM. También manipula mejor los materiales reactivos y reduce los problemas de contaminación. Sin embargo, la SLM permite actualmente resoluciones más altas, acabados superficiales más finos de hasta 12 micras y velocidades de fabricación más rápidas.
¿Qué métodos de postratamiento se utilizan en las piezas EBM?
Eliminación de soportes mediante chorro abrasivo, discos de corte o electroerosión por hilo, seguida de mecanizado, rectificado o pulido para cumplir los requisitos dimensionales y de rugosidad superficial según la aplicación. El prensado isostático en caliente (HIP) ayuda a eliminar los huecos internos y a aliviar las tensiones.
¿Qué tipos de canales internos y geoemetrías pueden elaborarse con EBM?
Son habituales los canales de refrigeración rectos en ángulos poco pronunciados, las estructuras de paredes finas, las celosías y las geometrías de malla. También son posibles formas libres complejas, como estructuras óseas trabeculares. Se han demostrado tamaños de hasta 0,4 mm, pero varían con el grosor de la capa.
Conclusión
En resumen, la fusión por haz de electrones ofrece ventajas sustanciales sobre las técnicas de fabricación tradicionales para componentes metálicos complejos y de alto rendimiento en los sectores aeroespacial, médico, automovilístico y de defensa. A medida que sigan mejorando las capacidades en torno a mayores volúmenes de fabricación, sistemas multihaz y posprocesamiento especializado, se espera una mayor adopción en los sectores del transporte, la energía y la producción industrial durante la próxima década.