Elektron ışınlı eritme (EBM), havacılık, tıp ve otomotiv gibi uygulamalar için kullanılan bir eklemeli imalat teknolojisidir. EBM, tamamen yoğun parçalar oluşturmak için metal tozunu katman katman seçici olarak eritmek için bir elektron ışını kullanır.
Elektron ışınlı eritme ekipmanının genel görünümü Süreci
Elektron ışınlı eritme, metal tozunu seçici olarak eritmek için yüksek güçlü bir elektron ışın tabancası kullanılarak çalışır. İşlem, hareketli bir yapı plakası üzerinde yüksek vakumlu bir odada gerçekleşir. İşte bazı önemli detaylar:
- Bir elektron ışın tabancası, elektromanyetik bobinler ve yüksek voltaj potansiyeli kullanarak odaklanmış, yüksek enerjili bir elektron ışını üretir
- Elektron ışını, CRT televizyonlardaki katot ışınına benzer şekilde manyetik olarak yönlendirilir
- Yapı plakası, metal tozunun erime noktasının yaklaşık yarısına kadar önceden ısıtılır
- Metal tozu, kasetlerden yerçekimi yoluyla beslenir ve yapı plakası üzerinde ince katmanlar halinde tırmıklanır
- Elektron ışını, CAD modeline göre alanları eriterek her bir katmanı tarar
- İşlem, tam parça oluşturulana kadar katman katman tekrarlanır
- Destekler, parçaları plakaya sabitlemek için oluşturulur, ancak lazer tabanlı işlemlere göre daha kolay çıkarılır
- Yaygın malzemeler titanyum, nikel alaşımları, paslanmaz çelik, alüminyum, kobalt-kromdur
Faydaları: Dövme malzemelerle eşleşen ince mikro yapı ve mekanik özelliklere sahip tamamen yoğun parçalar. İyi yüzey kalitesi ve boyutsal doğruluk.
Dezavantajları: Sınırlı sayıda uyumlu alaşım, lazer tabanlı işlemlere göre daha yüksek ekipman maliyeti, daha yavaş yapı hızları.
Uygulamalar: Havacılık bileşenleri, ortopedik implantlar, otomotiv parçaları, konformal soğutma kanalları, metal kafesler.
Elektron Işınlı Eritmede Kullanılan Metal Toz Beslemeleri
Metal toz beslemesi, bileşen kalitesi ve malzeme özelliklerinde kritik bir rol oynar. Kullanılan yaygın alaşımlar şunlardır:
Optimum boyut dağılımındaki ince tozlar, daha yüksek parça kalitesi için düzgün toz yatağı kararlılığı ve tek tip katmanlar sağlar. Plazma atomizasyonu ve gaz atomizasyonu, katman biriktirme sırasında paketleme için arzu edilen küresel tozlar üretir.
Tedarikçiler: AP&C, Carpenter Additive, Sandvik Osprey, Praxair, LPW Technology
Elektron Işınıyla Eritme İşlem Parametreleri
EBM makineleri, tarama stratejileri oluşturmak ve yapı parametrelerini optimize etmek için tescilli yazılımlar kullanır. Bazı temel parametreler şunlardır:
Plaka, gevreklik azaltmak, gerilmeleri gidermek ve büyük termal gradyanlardan kaçınmak için yüksek sıcaklıklara ısıtılır. Işın hızı ve tarama aralığı, tozun her bir birim alanına ne kadar enerji verildiğini belirler. Işın odağı ve katman kalınlığı da yerel erime koşullarını etkiler. Farklı tarama yaklaşımları, artık gerilmeleri ve mikro yapıları etkiler.
Elektron Işınlı Katmanlı İmalatın Avantajları
EBM'nin bazı avantajları şunlardır:
| Özellik | Fayda |
|---|---|
| Yüksek ışın güç yoğunluğu | İnce mikro yapılar sağlayan hızlı erime ve katılaşma |
| Vakum ortamı | Temiz malzeme işleme, oksit inklüzyonlarını ve boşlukları en aza indirir |
| Yüksek sıcaklıkta ön ısıtma | Artık gerilmeleri ve deformasyonu azaltır |
| Tam erime | Dövme malzemelere benzer şekilde ,9'dan fazla yoğunluk elde eder |
| Destek ankrajları | Lazerlerdeki hassas kafes desteklerine kıyasla daha kolay çıkarma |
| Yapı başına çoklu parçalar | Küçük bileşenlerin verimli üretimi |
Yüksek oranda odaklanmış elektron ışını, toz yatağına çok hızlı, hassas enerji birikimi sağlar. Vakum, kontaminasyonu önlerken, ön ısıtma istenen malzeme özelliklerini sağlar. Bu, karmaşık parçalarda tam yoğunluğu kolaylaştırır.
Sınırlamalar ve Diğer İşlemlerle Karşılaştırmalar
| Sınırlamalar | Lazerlerle Karşılaştırma |
|---|---|
| Daha yüksek ekipman maliyeti | Elektron ışın sistemleri 750.000 $ üzerinde, lazerler için 300.000 $ |
| Daha yavaş yapı hızları | EBM için saatte 110 cm3'e kadar, lazerler için saatte 150 cm3 |
| Sınırlı alaşımlar | Lazerler için 20'den fazla ticari alaşım, EBM için 10 |
| Parça boyutu | EBM için maksimum 1500 x 1500 x 1200 mm, lazerler için 1000 mm küpler |
| Yüzey finisajı | EBM 25 mikronda daha pürüzlü, DMLS için 12 mikron |
| Isı etkilenen bölgeler | Hızlı katılaşma nedeniyle EBM'de daha küçük |
Odaklanmış elektron ışını, kusurları azaltmak için lazerlerden daha küçük erime havuzları elde edebilir ve daha hızlı tarayabilir. Ancak lazer tabanlı DMLS ve SLM, şu anda daha hızlı yapılar ve daha iyi yüzey kaliteleri sunmaktadır. Uyumlu alaşımların aralığı da, daha iyi toz yayma ve yeniden kaplama mekanizmaları sayesinde lazer toz yatağı füzyon işlemleri için çok daha hızlı genişlemektedir.
Uygulamaları Elektron Işınıyla Eritme Parçalar
EBM kullanan bazı endüstriler şunlardır:
| Endüstri | Bileşenler |
|---|---|
| Havacılık ve Uzay | Türbin kanatları, roket parçaları, İHA bileşenleri |
| Tıbbi | Kalça, diz, travma cihazları gibi ortopedik implantlar |
| Otomotiv | Konformal soğutma hatları, prototipler |
| Takımlama | Konformal kanallara sahip enjeksiyon kalıpları |
| Enerji | Petrol ve gaz ortamları için vanalar, pompalar |
Vakum işleme nedeniyle, EBM titanyum ve tantal gibi reaktif metaller için benzersiz bir şekilde uygundur. Karmaşık iç geometrilere sahip TI-6Al-4V havacılık bileşenlerini üretmek için yaygın olarak kullanılmıştır. Tıp alanında, EBM kobalt krom ve paslanmaz çelik, kemik benzeri gözenekli yapılara sahip hasta odaklı implantlar için kullanılmaktadır.
Otomotiv, enerji ve alet endüstrileri, konformal soğutma tasarımlarına sahip hafif prototipler, kalıplar ve fikstürler için DMLS ve EBM'yi giderek daha fazla kullanmaktadır. Bu, dönüş sürelerini ve ısı yönetimini iyileştirir.
Elektron Işınlı Eritme Ekipmanı Tedarikçileri
İşte bazı büyük EBM sistemi üreticileri:
Arcam, 1997'de kuruldu ve şimdi GE Additive'in bir parçası. İlk olarak tıbbi implant üretimine odaklandılar, ancak şimdi havacılık ve otomotivi de hedefliyorlar. Sciaky, 10 fit uzunluğa kadar titanyum ve nikel alaşımları için büyük ölçekli endüstriyel EBM sunmaktadır. Additive Industries, Trumpf ve General Atomics ayrıca gelişmiş uygulamalar için geliştirilmekte olan EBM metal 3D yazıcılara sahiptir.
Müşteriler, tam EBM kurulumları satın almanın yanı sıra, GE'nin dünya çapındaki kapsamlı hizmet bürosu kapasitesine erişebilir veya metal AM sözleşmesi sunan yerel uzman üreticilerle çalışabilirler.
Elektron Işınlı Katmanlı İmalatın Gelecek Görünümü
Elektron ışınlı eritme için beklentiler, karmaşık iç geometrilere sahip yüksek performanslı metal bileşenler isteyen endüstrilerde umut verici görünüyor:
- Genişleyen alaşım seçenekleri yelpazesi – paslanmaz çelik, alüminyum, bakır
- Tüm yakıt düzeneklerini veya uçak kapılarını yazdırmak için daha büyük yapı zarfları
- Çok ışınlı sistemler aracılığıyla artan yapı hızları
- EBM ve bilgisayarlı CNC işlemenin birleştirilmesiyle hibrit imalat
- Gelişmiş malzeme özellikleri için tasarıma özgü parametreler
- Yerinde izleme ve düzeltme için kapalı döngü kontrolü
- Yan yüzey pürüzlülüğünü iyileştirmek için özel son işlem
- Artık gerilme ve bozulma etkilerini modellemek için simülasyon araçları
Hız, boyut kısıtlamaları ve alaşım bulunabilirliğindeki sınırlamaların üstesinden gelerek ve maliyet eğrisini aşağıya doğru hareket ettirerek, EBM kullanımı şu anda 400 milyon dolarlık bir pazardan 2030 yılına kadar 5-10 milyar dolara yükselebilir. Havacılık, tıp, otomotiv ve enerji sektörlerinin, önümüzdeki on yılda bu yükselişi yönlendirmesi bekleniyor.
SSS
İşte elektron ışınlı katmanlı imalat hakkında sıkça sorulan bazı soruların yanıtları:
EBM ile hangi malzemeleri işleyebilirsiniz?
En yaygın alaşımlar Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI ve CoCr'dir, ancak aynı zamanda Inconel 718 gibi nikel alaşımları, alüminyum alaşımları, takım çeliği, paslanmaz çelik 316L'dir. Toz beslemesi bileşimi ve kalitesi, havacılık ve biyomedikal spesifikasyonlarını karşılamalıdır.
EBM ne kadar doğrudur?
Boyutsal doğruluk genellikle ±0,2%'ye kadar ulaşır ve toleranslar ±100 mikrona kadar düşer. Ancak sıkı istatistiksel dağılımlar elde etmek genellikle yüzey kalitesini iyileştirmek için sıcak izostatik presleme ve işleme gerektirir.
Bu teknoloji hangi endüstrilerde kullanılıyor?
Havacılık, savunma, uzay, tıp ve diş hekimliği, otomobil yarışları, petrol ve gaz endüstrileri günümüzde öncelikle EBM kullanmaktadır. Yüksek ışın enerjisi, yüksek hazne sıcaklıklarıyla birleşerek reaktif malzeme işleme ve üstün malzeme özelliklerini kolaylaştırır.
EBM, seçici lazer eritme (SLM) ile nasıl karşılaştırılır?
EBM, SLM'ye kıyasla üstün çekme dayanımına ve uzamaya sahip, tamamen yoğun Ti-6Al-4V parçalar üretir. Ayrıca, daha düşük kontaminasyon sorunları ile reaktif malzemeleri daha iyi işler. Ancak SLM şu anda daha yüksek çözünürlükler, 12 mikrona kadar daha ince yüzey finisajları ve daha hızlı yapım oranları sağlar.
EBM parçalarında hangi son işlem yöntemleri kullanılır?
Uygulamaya göre boyutsal ve yüzey pürüzlülüğü gereksinimlerini karşılamak için aşındırıcı püskürtme, kesme tekerlekleri veya tel EDM ile destek çıkarma, ardından işleme, taşlama veya parlatma. Sıcak izostatik presleme (HIP), iç boşlukları ortadan kaldırmaya ve gerilmeleri gidermeye yardımcı olur.
EBM kullanılarak ne tür iç kanallar ve geometriler üretilebilir?
Sığ açılarda düz soğutma kanalları, ince duvar yapıları, kafesler ve ağ geometrileri yaygındır. Trabeküler kemik yapıları gibi karmaşık serbest biçimli şekiller de mümkündür. 0,4 mm'ye kadar olan özellik boyutları gösterilmiştir, ancak katman kalınlığına göre ölçeklenir.
Sonuç
Özetle, elektron ışınlı eritme, havacılık, tıp, otomotiv ve savunma sektörlerinde karmaşık, yüksek performanslı metal bileşenler için geleneksel üretim tekniklerine göre önemli avantajlar sağlar. Daha büyük yapım hacimleri, çok ışınlı sistemler ve özel son işlem etrafında yetenekler gelişmeye devam ettikçe, önümüzdeki on yılda ulaşım, enerji ve endüstriyel üretim endüstrilerinde daha geniş bir benimsenme beklenmektedir.
