Электронно-лучевой 3D-принтер по металлу (машина для аддитивного производства)
Технология 3D-аддитивного производства с использованием электронного луча
В последние годы 3D-принтеры, использующие смолу на основе цифровых 3D-данных, позволили компаниям производить прототипы и мелкосерийные детали, а отдельным лицам — создавать оригинальные, уникальные продукты. Машины для 3D-аддитивного производства с использованием металла — это один из типов 3D-принтеров. Большинство из них используются для прототипирования и производства деталей в промышленной сфере и редко встречаются широкой публике.
История технологии аддитивного производства, как говорят, восходит к 1980-м годам, когда г-н Кодама из Научно-исследовательского института промышленных технологий города Нагоя разработал технологию ламинирования с использованием смолы, отверждаемой УФ-излучением. Позже, с ее коммерциализацией в США г-ном Халлом (теперь 3D Systems, Inc.), технология начала распространяться. Переход к производству аддитивных (ламинирующих) металлических изделий начался с разработки метода селективного лазерного спекания с использованием металлических порошков под руководством Декарда и Бимана в Техасском университете в Остине, за которым последовала его коммерциализация и разработка лазерной системы производства аддитивных (ламинирующих) металлических изделий в 1992 году. За этим последовала разработка метода с использованием электронного луча в качестве источника плавления шведской компанией ArcamAB в 1997 году.
До сих пор аддитивное производство использовалось для подтверждения формы и дизайна, а также для прототипирования легких и прочных деталей. Однако в последнее время внимание привлекают короткое общее время разработки, необходимое для создания прототипа, и возможность производства непосредственно из цифровых данных (САПР). Его использование в качестве метода производства промышленных деталей ускоряется.
Принцип аддитивного производства
Здесь мы в основном расскажем о процессе формования деталей на машине для 3D-аддитивного производства металла с использованием электронных лучей.
Рисунок 1. Поток электронно-лучевого аддитивного производства металлов
Поток заключается в нанесении слоя исходного материала из металлического порошка и расплавлении формуемой детали с использованием источника тепла, например, лазерного луча или электронного луча, и слоя.
Продолжайте накладывать слои и плавить, а после завершения удалите порошки из полностью наложенной части для дальнейшего тестирования качества.
Здесь описаны два метода.
Метод порошковой обработки
Металлический порошок, используемый в качестве сырья, распределяется с помощью головки-механизма, способного распределять его с постоянной толщиной.
Рисунок 2. Движение по нанесению одного слоя металлических порошков. ※ 1
Наносится первый слой материала, и формовочная область, созданная в данных САПР, расплавляется с использованием электронного луча или лазера в качестве источника тепла.
Рисунок 3. Плавление распыленного металлического порошка ※ 1
После перемещения оси Z на толщину слоя наносится второй слой металлического порошка и расплавляется нужная деталь.
Этот процесс повторяется для формирования желаемой формы.
Рисунок 4 Изображение после удаления нерасплавленных порошков ※ 1
Нерасплавленные порошки удаляются с помощью дробеструйного оборудования и т. д. Отформованная деталь вынимается и проверяется на предмет формы, внутренних дефектов и т. д.
Описанный выше процесс представляет собой процесс формования деталей.
Метод осаждения
Это метод наслаивания порошков путем впрыскивания порошков через сопло для формирования желаемой формы, разработанной САПР, путем перемещения плавильного сопла или столика. Металлические порошковые материалы подаются с помощью газа и расплавляются источником тепла для формования.
В отличие от метода порошковой кровати, не требуется удалять порошки после завершения формовки. Этот метод используется для дополнительной обработки (наплавки) на металлический материал или формовки общей формы, а не для формовки свободной формы, поскольку формуемая форма ограничена досягаемостью головки.
Рисунок 5. Случай метода осаждения ※ 1
Особенность аддитивного производства
Благодаря своей способности напрямую плавить и формировать материалы из данных проектирования САПР, аддитивное производство используется для деталей с высокой добавленной стоимостью, требующих множественных прототипов и небольших количеств, прочностного проектирования, проектных исследований и других производственных приложений. Свободное формование также используется для снижения расхода материала за счет облегченной конструкции и оптимизации формы, а также для повышения топливной экономичности за счет снижения веса.
Машина для 3D-аддитивного производства с использованием электронного луча по металлу
Фото 1 Пример машины для аддитивного производства с использованием электронного луча
На фото 1 представлена машина, разработанная филиалом JEOL Ltd. в Акишиме. ※ 1, Ассоциация технологических исследований будущего аддитивного производства (TRAFAM) для реализации производственных функций различных типов.
Характеристики перечислены ниже.
- Возможно аддитивное производство различных видов металлов.
- Минимальный размер пучка: φ100 мкм или меньше
- Точность: ±40 мкм или меньше
- Размер формы: 300 мм x 300 мм x 600 мм
- Поддержание среды источника электронов осуществляется с помощью дифференциальной накачки, динамической коррекции стигматора, фокусировки и функции коррекции искажения пучка в точке отклонения.
Материал и формовка
Поскольку тип электронного луча подходит для формования тугоплавких металлов, используются материалы для промышленных областей. Формовочные порошки, такие как Ti-6Al-4V и Inconel718, в основном используются в аэрокосмической промышленности, в то время как материалы на основе CoCr используются в медицинской области из-за их сродства к биоматериалам. Сферические порошки размером в несколько десятков мкм используются в качестве металлических порошков. После их изготовления с помощью процесса газового распыления или плазменного вращающегося электрода металлические порошки выбираются по распределению диаметров частиц в соответствии с машиной для аддитивного производства или требуемым качеством формованного продукта.
Фото 2. Исходный металлический порошок (Ti-6Al-4V) ※ 3
Рисунок 6. Пример распределения диаметров частиц порошкообразного материала ※ 3
Фото 3 Примеры двойной структуры углерод-фуллерен, рабочее колесо ※ 1
Применение для электронно-лучевого аддитивного производства
Электронные пучки, используемые в аддитивном производстве, используются путем генерации тока пучка от нескольких мА до нескольких сотен мА при ускоряющем напряжении в несколько десятков кВ, что необходимо для расплавления металлического порошка. Электронный пучок представляет собой поток электронов, и после столкновения с металлическим порошком кинетическая энергия становится колебательной энергией целевой решетки и преобразуется в тепло. В то время как световые пучки генерируют отражение, а эффективность преобразования различается в зависимости от материала, эффективность преобразования тепла электронным пучком чрезвычайно высока, причем более 80% входной энергии преобразуется в тепло. Для того чтобы облучить электронный пучок в желаемом положении, предоставленном цифровыми данными, выполнение отклонения с помощью магнитной линзы обеспечивает высокоскоростное сканирование, поскольку это электрическое, а не механическое сканирование.
Источник электронов для аддитивного производства
Рисунок 7 Система облучения электронным пучком ※ 1
Электронная пушка генерирует электронные пучки, управляет формой пучка и положением облучения, а также направляет электронный пучок на целевой объект для обработки. Структура типичной системы облучения электронным пучком показана на рисунке 7. Она состоит из генератора электронного пучка, секции схождения электронного пучка и дефлектора электронного пучка.
Преимущество использования электронного луча в качестве источника тепла
- Обработка в вакууме
Электронные пучки генерируются, распространяются и облучаются в вакууме. В процессе плавки металла это приводит к уменьшению попадания примесей в зону плавки, что приводит к получению материалов более высокого качества. - Высокоскоростное сканирование
Поскольку положение облучения электронного луча контролируется с помощью электромагнитной катушки, возможно чрезвычайно высокоскоростное сканирование на поверхности обрабатываемой мишени. С помощью электронной пушки, которая используется в аддитивном производстве металлов, можно сканировать электронные лучи со скоростью в несколько 1,000 м/с или выше. - Высокоэффективная трансмиссия
Поскольку между катодом, который является источником генерации, и мишенью обработки нет оптических деталей, которые могут вызвать потери энергии, электронные пучки не подвержены влиянию скорости отражения и скорости передачи. Таким образом, возможен точный контроль энергии облучения для мишени обработки. - Высокая скорость усвоения
Поскольку электронный луч представляет собой высокоскоростной поток электронов, большая его часть поглощается обрабатываемой мишенью, не отражаясь, и преобразуется в тепло плавления.
Оценка качества продукции аддитивного производства
Продолжается обсуждение международной стандартизации для стандартного образца для испытания формовки и его оценки в аддитивном производстве металлов техническим комитетом ISO/TC261 и комитетом ASTM F42 по технологиям аддитивного производства. Оценка формованных изделий требует широкого спектра методов измерения от стандартных образцов для испытаний до проверки формованных изделий для поддержания качества. В этом разделе описываются типичные общепринятые стандарты и эффективные методы оценки и анализа для методов аддитивного производства.
Фото 4 Формование контрольного образца JIS для аддитивного производства (перед резкой) ※ 1
Метод измерения формы
Фото 5. Прибор для измерения 3D-формы ※ 2
① 3D-инструмент для измерения формы
Измерение подразделяется на механический контактный метод и бесконтактный метод. Контактный тип основан на точечных и линейных измерениях с использованием контактного зонда и вращает объект для формирования формы. С другой стороны, бесконтактный метод использует лазерное облучение и оптическую камеру для сканирования луча для высокоскоростного измерения. Оба метода имеют точность измерения от нескольких мкм до нескольких десятков мкм.
Фото 6. Прибор для измерения 3D-формы ※ 2
② 3D-сканер
Подобно проведению измерений, существуют контактные и бесконтактные методы. Поскольку в аддитивном производстве часто измеряются формы свободной формы, использование бесконтактного лазера или инфракрасного света для измерения формы является основным направлением. Точность составляет несколько десятков мкм, и возможно более быстрое 3D-измерение, чем при контактном методе.
Наблюдение за тканями
Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) и анализаторы поверхности (ЭПМА) способны не только проводить поверхностное наблюдение за материалами, но и элементный анализ и наблюдение за ориентацией кристаллов с использованием бортовых детекторов. Они широко и повсеместно используются от неразрушающего контроля поверхности до разрушающего контроля путем разрезания поперечных сечений.
При облучении материала, который необходимо исследовать, сфокусированным электронным пучком в зависимости от элемента получается информация о генерации квантов, например, вторичных электронов в направлении глубины. Анализ возможен с помощью детектора, который преобразует эти сгенерированные кванты в сигналы.
Рисунок 8 Электронный луч и квантовые типы
| Наблюдение вторичного электронного изображения | Вторичные электроны используются для наблюдения за топографией поверхности образца. |
|---|---|
| Наблюдение за изображением обратно рассеянных электронов |
Обратнорассеянные электроны в основном используются для наблюдения за различиями в составе образца. В случае поликристаллического образца различия в ориентации кристаллов наблюдаются как контраст на изображении. (каналирующий контраст) |
| Наблюдение за поглощением электронным изображением | Поглощенные электроны в основном используются для наблюдения за композиционными различиями образца. Контраст обратен контрасту для изображения обратно рассеянных электронов. |
| Наблюдение за трансмиссионным электронным изображением | Электроны, пропущенные через тонкий слой пленки, используются для наблюдения различий в составе и плотности. |
| Наблюдение за изображениями катодолюминесценции (КЛ) и анализ спектра | Свет, излучаемый образцом, стимулированным электронным пучком, формирует изображение, а спектр излучения создается с помощью спектрометрии длин волн. Это используется для таких приложений, как оценка примесей и дефектов в полупроводниках, оценка распределения напряжений, оценка распределения дефектной структуры в оксидной пленке, оценка светоизлучающих элементов и т. д. |
| ЭДС(Элементальный)Анализ | Это функция для получения спектра интенсивности энергии рентгеновских лучей с использованием комбинации детектора полупроводника Li-легированного Si и многоканального анализатора (анализатора спектра). Все элементы от B до U могут быть обнаружены и измерены одновременно. Даже при скромном токе зонда, что снижает риск повреждения образца, он отлично работает в анализе микрозон. |
| EBSD-анализ | Обратнорассеянные электроны, преломленные на поверхности образца, используются для определения ориентации кристалла в микрообласти и для измерения карты ориентации. |
| WDS (элементарный) анализ | Это функция получения спектра длин волн с использованием явления дифракции рентгеновского луча кристаллом. Ее особенности — высокое энергетическое разрешение и высокая чувствительность обнаружения. |
| Измерение EBIC, наблюдение | Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая внутри образца под действием электронного пучка, используется для анализа дефектов полупроводниковых приборов. |
| Функция низкого вакуума |
Функция установки давления в камере образца от нескольких десятков до нескольких сотен Па. Уменьшение вакуума в камере образца уменьшает возникновение заряда. Это позволяет наблюдать непроводящий образец без необходимости сложной предварительной обработки (покрытия). Используется для образцов с большим выделением газа, образцов с низким давлением паров, а также образцов, содержащих воду. |
| Функция воздействия электронным лучом | Возможна резистивная литография электронным лучом. |
| Крио СЭМ наблюдение | Наблюдение за водосодержащим образцом возможно путем замораживания воды. Это может предотвратить деформацию образца в процессе фиксации и дегидратации. |
| Наблюдение за отоплением |
Возможно наблюдение при нагревании образца. Можно наблюдать изменения, происходящие с образцом под воздействием тепла, такие как разбухание и сегрегация примесей. |
| Наблюдение за растяжением | Возможно наблюдение при растяжении образца. Это используется для наблюдения за началом вязких разрушений и анализа прочности материала. |
Таблица 1 Информация, которую можно получить из проанализированных образцов
Ниже представлен результат элементного анализа порошка Ti-6Al-4V, который используется в машине аддитивного производства для подтверждения содержания Ti, Al и V.
Рисунок 9. Наблюдение за формовочным порошком Ti-6Al-4V и пример анализа с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра (JSX-1000S компании JEOL) ※ 3
Фото 8. Внешний вид электронных микроскопов.
Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) используется для наблюдения на атомном уровне. Электроны не могут свободно перемещаться в воздухе, а находятся в вакууме. В отличие от оптических микроскопов, электронный микроскоп поддерживает высокий вакуум в своей колонне, чтобы помочь электронам двигаться. Электроны, испускаемые из источника электронов, называемого электронной пушкой, ускоряются и излучаются на поверхность облучения. Электроны передают образец или рассеиваются. Электроны сходятся или рассеиваются с помощью электронной линзы (электрическое поле магнитного поля) для формирования изображения. Традиционно изображение увеличивалось на флуоресцентной пластине и наблюдалось человеческими глазами. Но сейчас основным направлением является преобразование его в электрический сигнал с помощью датчиков изображения, таких как ПЗС, и отображения в виде цифрового экрана. Свет, который может различать человеческий глаз (видимый свет), составляет от 400 нм до 800 нм. Просвечивающие электронные микроскопы обычно используют высокое напряжение ускоряющего напряжения более 100 кВ. Длина волны 100 кВ равна 0.0037 нм, что указывает на разрешение, то есть на то, что она имеет достаточное разрешение для наблюдения атома размером в несколько нм.
Рисунок 10. Принципы работы просвечивающего электронного микроскопа
Неразрушающий контроль
Как метод неразрушающего контроля дефектов и пустот с использованием изображений, рентгеновская КТ может использоваться для проверки изделий свободной формы в аддитивном производстве. Рентгеновская КТ позволяет проводить измерение образца по 5 осям и определять положение дефектов с помощью 3D-дисплея.
Разрешение и пропускная способность зависят от выходной мощности микрофокусного источника рентгеновского излучения, но обычно используется напряжение от 150 кВ до 45 кВ. Разрешение варьируется от нескольких микрометров до нескольких сотен микрометров в зависимости от размера измерения и пропускания материала. Хотя более высокая выходная мощность улучшает разрешение, она также требует мер противодействия утечке рентгеновского излучения, и эти меры противодействия более обширны.
Фото 9. Случай наблюдения за образцом для испытаний JIS A2201 14A ※ 2
Предпринимаются усилия по улучшению качества путем классификации дефектов, наблюдаемых без разрушения, и сопоставления их с тем, что вызвало дефект во время аддитивного производства. Ожидается, что потребность в неразрушающем контроле критически важных для качества промышленных деталей в будущем возрастет.
Заключение
3D-аддитивное производство с использованием металла привлекает внимание как метод производства желаемой детали непосредственно из цифровых данных. Кроме того, используя возможность формования свободной формы, которая является особенностью 3D-формования, его использование, как полагают, расширится в будущем для оптимального проектирования прочности и как энергосберегающий метод производства.
Поскольку для этого не требуется обширного помещения, его также рассматривают как часть метода распределенного производства, который предполагает сетевое подключение производственного оборудования в эпоху Интернета вещей.
JEOL поддерживает развитие технологий путем интеграции технологии аддитивного производства, которая может стать толчком к появлению новых инноваций, с измерительными и аналитическими технологиями для поддержания качества продукции.
Результаты были достигнуты в рамках проекта, заказанного Министерством экономики, торговли и промышленности (METI), «Разработка технологии промышленного 3D-принтера следующего поколения и технологии сверхточной 3D-формовочной системы». Мы хотели бы поблагодарить следующие организации за их поддержку в ходе нашего исследования.
- Министерство экономики, торговли и промышленности
- Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST)
- Специально назначенный профессор. Хидеки Кёгоку, инженерный факультет, университет КИНДАИ
- Акихико Чиба, профессор, Институт исследований материалов (тогда), Университет Тохоку
- Ассоциация технологических исследований будущего аддитивного производства (TRAFAM)
ID
-
Материал предоставлен Ассоциацией технологических исследований будущего аддитивного производства (TRAFAM), которая проводит «Разработку технологии промышленного 3D-принтера следующего поколения и разработку технологии сверхточной системы 3D-литья» по заказу Министерства экономики, торговли и промышленности.
https://trafam.or.jp/top/ -
Материалы предоставлены Nikon Metrology Inc. (веб-сайт)
https://industry.nikon.com/en-us/ -
Материалы предоставлены LPW Technology Ltd.(тогда)/Aichi Sangyo Co., Ltd.
-
Пожалуйста, воздержитесь от перепечатки или использования данного материала в других целях.