Fusion par faisceau d'électrons (EBM) est une technologie de fabrication additive utilisée pour des applications telles que l'aérospatiale, la médecine et l'automobile. L'EBM utilise un faisceau d'électrons comme source d'énergie pour faire fondre sélectivement de la poudre métallique couche par couche afin de construire des pièces entièrement denses.
Aperçu de l'équipement de fusion par faisceau d'électrons Processus
La fusion par faisceau d'électrons consiste à utiliser un pistolet à faisceau d'électrons de grande puissance pour faire fondre sélectivement la poudre de métal. Le processus se déroule dans une chambre à vide poussé sur une plaque de construction mobile. Voici quelques détails clés :
- Un canon à électrons génère un faisceau d'électrons focalisé et à haute énergie à l'aide de bobines électromagnétiques et d'un potentiel à haute tension.
- Le faisceau d'électrons est dirigé magnétiquement, comme le rayon cathodique des téléviseurs à tube cathodique.
- La plaque de construction est préchauffée à environ la moitié du point de fusion de la poudre métallique.
- La poudre métallique est alimentée par gravité à partir de cassettes et répartie en fines couches sur la plaque de construction.
- Le faisceau d'électrons balaie chaque couche, faisant fondre les zones en fonction du modèle CAO.
- Le processus est répété couche par couche jusqu'à ce que la pièce entière soit construite
- Les supports sont construits pour ancrer les pièces à la plaque, mais ils sont plus faciles à enlever que les procédés au laser.
- Les matériaux courants sont le titane, les alliages de nickel, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cobalt-chrome.
Avantages : Pièces entièrement denses avec une microstructure fine et des propriétés mécaniques correspondant aux matériaux corroyés. Bonne finition de surface et précision dimensionnelle.
Inconvénients : Nombre limité d'alliages compatibles, coût de l'équipement plus élevé que les procédés basés sur le laser, cadences de fabrication plus lentes.
Applications : Composants aérospatiaux, implants orthopédiques, pièces automobiles, canaux de refroidissement conformes, treillis métalliques.
Poudres métalliques utilisées dans la fusion par faisceau d'électrons
La matière première des poudres métalliques joue un rôle essentiel dans la qualité des composants et les propriétés des matériaux. Les alliages couramment utilisés sont les suivants
La distribution optimale des poudres fines assure la stabilité du lit de poudre et l'uniformité des couches pour une meilleure qualité des pièces. L'atomisation par plasma et l'atomisation par gaz produisent des poudres sphériques souhaitables pour l'empaquetage pendant le dépôt de la couche.
Fournisseurs : AP&C, Carpenter Additive, Sandvik Osprey, Praxair, LPW Technology
Fusion par faisceau d'électrons Paramètres du processus
Les machines EBM utilisent un logiciel propriétaire pour générer des stratégies de numérisation et optimiser les paramètres de construction. Parmi les paramètres clés, citons
La plaque est chauffée à haute température pour réduire la fragilité, soulager les tensions et éviter les gradients thermiques importants. La vitesse du faisceau et l'espacement des trappes déterminent la quantité d'énergie injectée dans chaque unité de surface de poudre. La focalisation du faisceau et l'épaisseur de la couche influencent également les conditions de fusion locales. Les différentes approches de balayage ont un impact sur les contraintes résiduelles et les microstructures.
Avantages de la fabrication additive par faisceau d'électrons
Voici quelques-uns des avantages de l'EBM :
| Fonctionnalité | Bénéfice |
|---|---|
| Densité de faisceau élevée | Fusion et solidification rapides favorisant des microstructures fines |
| Environnement sous vide | Le traitement propre du matériau minimise les inclusions d'oxyde et les vides. |
| Préchauffage à haute température | Réduction des contraintes résiduelles et des déformations |
| Fusion complète | Atteint une densité de plus de 99,9 % similaire à celle des matériaux corroyés. |
| Ancrages de soutien | Élimination plus aisée que les supports délicats des lasers |
| Plusieurs pièces par construction | Production efficace de petits composants |
Le faisceau d'électrons très focalisé permet un dépôt d'énergie très rapide et précis dans le lit de poudre. Le vide empêche la contamination, tandis que le préchauffage confère aux matériaux les propriétés souhaitées. Cela permet d'obtenir une densité totale sur des pièces complexes.
Limites et comparaisons avec d'autres processus
| Limites | Comparaison avec les lasers |
|---|---|
| Coût plus élevé de l'équipement | Systèmes à faisceaux d'électrons : plus de 750 000 $ contre 300 000 $ pour les lasers |
| Des taux de construction plus lents | Jusqu'à 110 cm3/heure pour l'EBM contre 150 cm3/heure pour les lasers |
| Alliages limités | Plus de 20 alliages commerciaux pour les lasers contre 10 pour l'EBM |
| Taille de la pièce | 1500 x 1500 x 1200 mm max. pour EBM vs 1000 mm cubes pour lasers |
| Finition de la surface | EBM plus rugueux à 25 microns contre 12 microns pour DMLS |
| Zones affectées thermiquement | Plus petite dans l'EBM en raison de la solidification rapide |
Le faisceau d'électrons focalisés permet d'obtenir des bassins de fusion plus petits et de scanner plus rapidement que les lasers pour réduire les défauts. Mais les procédés DMLS et SLM basés sur le laser sont actuellement plus rapides et offrent de meilleures finitions de surface. La gamme d'alliages compatibles s'élargit également beaucoup plus rapidement pour les procédés de fusion laser sur lit de poudre grâce à de meilleurs mécanismes d'étalement et de recouvrement de la poudre.
Applications de la Fusion par faisceau d'électrons pièces
Parmi les industries qui utilisent l'EBM, on peut citer
| L'industrie | Composants |
|---|---|
| Aérospatiale | Aubes de turbines, pièces de fusées, composants de drones |
| Médical | Implants orthopédiques (hanches, genoux, appareils de traumatologie) |
| Automobile | Lignes de refroidissement conformes, prototypes |
| Outillage | Moules d'injection avec canaux conformes |
| L'énergie | Vannes et pompes pour les environnements pétroliers et gaziers |
En raison du traitement sous vide, l'EBM est particulièrement adapté aux métaux réactifs tels que le titane et le tantale. Il a été largement utilisé pour fabriquer des composants aérospatiaux en TI-6Al-4V avec des géométries internes complexes. Dans le domaine médical, le chrome cobalt et l'acier inoxydable EBM sont utilisés pour les implants spécifiques aux patients avec des structures poreuses semblables à celles de l'os.
Les secteurs de l'automobile, de l'énergie et de l'outillage utilisent de plus en plus les techniques DMLS et EBM pour réaliser des prototypes, des gabarits et des montages légers avec des conceptions de refroidissement conforme. Cela permet d'améliorer les délais d'exécution et la gestion de la chaleur.
Fournisseurs d'équipements de fusion par faisceau d'électrons
Voici quelques-uns des principaux fabricants de systèmes EBM :
Arcam a été fondée en 1997 et fait maintenant partie de GE Additive. Elle s'est d'abord concentrée sur la production d'implants médicaux, mais vise désormais également l'aérospatiale et l'automobile. Sciaky propose un procédé EBM industriel à grande échelle pour le titane et les alliages de nickel jusqu'à 10 pieds de long. Additive Industries, Trumpf et General Atomics ont également des imprimantes 3D métalliques EBM en cours de développement pour des applications avancées.
Outre l'achat d'installations EBM complètes, les clients ont également accès à la vaste capacité du bureau de service de GE dans le monde entier ou peuvent travailler avec des fabricants locaux spécialisés dans la sous-traitance de l'AM des métaux.
Perspectives d'avenir pour la fabrication additive par faisceau d'électrons
Les perspectives de la fusion par faisceau d'électrons sont prometteuses pour les industries qui ont besoin de composants métalliques de haute performance avec des géomembranes internes complexes :
- Gamme élargie d'options d'alliages – ; acier inoxydable, aluminium, cuivre
- Enveloppes de construction plus grandes pour l'impression d'assemblages combustibles entiers ou de portes d'avion
- Augmentation des taux de construction grâce à des systèmes à faisceaux multiples
- Fabrication hybride combinant l'EBM et l'usinage CNC informatisé
- Paramètres spécifiques à la conception pour améliorer les propriétés des matériaux
- Contrôle en boucle fermée pour la surveillance et la correction in situ
- Post-traitement spécialisé pour améliorer la rugosité de la surface latérale
- Outils de simulation pour modéliser les effets des contraintes résiduelles et de la distorsion
En surmontant les limitations de vitesse, les contraintes de taille et la disponibilité des alliages tout en descendant la courbe des coûts, l'utilisation de l'EBM pourrait passer d'un marché de 400 millions de dollars actuellement à un marché de 5 à 10 milliards de dollars d'ici 2030. Les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile et de l'énergie devraient être les moteurs de cette progression fulgurante au cours de la prochaine décennie.
FAQ
Voici les réponses aux questions les plus fréquemment posées sur la fabrication additive par faisceau d'électrons :
Quels matériaux pouvez-vous traiter avec EBM ?
Les alliages les plus courants sont le Ti-6Al-4V, le Ti-6Al-4V ELI et le CoCr, mais aussi des alliages de nickel comme l'Inconel 718, des alliages d'aluminium, de l'acier à outils et de l'acier inoxydable 316L. La composition et la qualité de la poudre doivent répondre aux spécifications aérospatiales et biomédicales.
Quelle est la précision de l'EBM ?
La précision dimensionnelle peut atteindre ±0,2 % avec des tolérances généralement inférieures à ±100 microns. Mais pour obtenir des distributions statistiques serrées, il faut souvent procéder à un pressage isostatique à chaud et à un usinage pour améliorer la finition de la surface.
Quels sont les secteurs qui utilisent cette technologie ?
Les industries de l'aérospatiale, de la défense, de l'espace, de la médecine et des soins dentaires, de la course automobile, du pétrole et du gaz utilisent principalement l'EBM aujourd'hui. L'énergie élevée du faisceau associée aux températures élevées de la chambre facilite le traitement réactif des matériaux et leur confère des propriétés supérieures.
Quelle est la comparaison entre l'EBM et la fusion sélective par laser (SLM) ?
L'EBM produit des pièces en Ti-6Al-4V entièrement denses avec une résistance à la traction et un allongement supérieurs à ceux obtenus par SLM. Elle traite également mieux les matériaux réactifs, avec moins de problèmes de contamination. Toutefois, la technique SLM permet actuellement des résolutions plus élevées, des finitions de surface plus fines (jusqu'à 12 microns) et des cadences de fabrication plus rapides.
Quelles sont les méthodes de post-traitement utilisées pour les pièces EBM ?
Enlèvement du support par sablage abrasif, meules de tronçonnage ou électroérosion à fil, suivi d'un usinage, d'un meulage ou d'un polissage pour répondre aux exigences en matière de dimensions et de rugosité de surface selon l'application. Le pressage isostatique à chaud (HIP) permet d'éliminer les vides internes et de réduire les contraintes.
Quels types de canaux internes et de géométries peuvent être produits à l'aide de l'EBM ?
Les canaux de refroidissement droits à angle faible, les structures à parois minces, les treillis et les géométries maillées sont courants. Des formes complexes libres comme les structures osseuses trabéculaires sont également possibles. Des dimensions de 0,4 mm ont été démontrées, mais elles varient en fonction de l'épaisseur de la couche.
Conclusion
En résumé, la fusion par faisceau d'électrons offre des avantages substantiels par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles pour les composants métalliques complexes à hautes performances dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile et de la défense. Comme les capacités continuent de s'améliorer avec des volumes de fabrication plus importants, des systèmes à faisceaux multiples et un post-traitement spécialisé, on s'attend à une adoption plus large dans les secteurs des transports, de l'énergie et de la production industrielle au cours de la prochaine décennie.