Электронно-лучевой 3D-принтер по металлу (машина для аддитивного производства)

Классификация металлических 3D-принтеров

Металлические 3D-принтеры классифицируются следующим образом в зависимости от типа материала, источника нагрева и метода печати. JAM-5200EBM производства JEOL относится к методу электронно-лучевой порошковой печати (EBM или EB-PBF).

Ознакомьтесь со следующей колонкой, чтобы ознакомиться с особенностями каждого типа 3D-принтера для работы с металлом и аддитивного производства (АП).

Что такое электронно-лучевой 3D-принтер по металлу?

Электронно-лучевой 3D-принтер для металлической печати — это устройство для аддитивного производства, которое печатает 3D-детали из металлического порошка, как правило, методом порошковой печати. В вакуумной камере наносится слой исходного металлического порошка. Затем области, подлежащие формированию, выборочно расплавляются с помощью источника тепла, например, электронного луча. После этого наносится и плавится следующий слой металлического порошка, таким образом, непрерывно добавляя слои (аддитивное производство). Деталь извлекается путем удаления излишков порошка, окружающих её.

Структура электронно-лучевых 3D-принтеров по металлу

Источник электронного луча электронно-лучевого 3D-принтера для металлической печати состоит из источника электронов, линзы с магнитным полем и отклоняющей катушки. Электроны, испускаемые катодом (источником электронов), ускоряются высоким напряжением и конденсируются в пучок линзой с магнитным полем. Кроме того, отклоняющая катушка используется для перемещения сфокусированного в точку электронного луча в произвольное положение и сканирования.
Внутри вакуумной камеры находится бункер для порошка, в котором хранится металлический порошок и который выгружается вниз, устройство для нанесения покрытия, которое выталкивает выгруженный металлический порошок на рабочий стол и разглаживает его, а также тепловые экраны, поддерживающие температуру рабочей поверхности и предотвращающие осаждение металла на окружающие поверхности. Также имеется привод оси Z, который перемещает рабочую поверхность (основание) вверх и вниз, и рабочий резервуар, в котором расплавленная и спеченная на основании деталь и окружающий металлический порошок хранятся за счет опускания привода оси Z.

Процесс сборки в электронно-лучевом порошковом слое

Следующие 4 шага составляют основной процесс электронно-лучевого порошкового метода.

Цифровые трёхмерные данные проектирования загружаются в специализированное программное обеспечение. Задаётся материал подложки и подготавливаются двумерные данные среза для каждого слоя и условия облучения электронным пучком.

Подготовленные данные загружаются в 3D-принтер, и 3D-принтер вакуумируется.

Сканирование электронным лучом предварительно нагревает всю базовую пластину.

Шаг 1: Опускание стола оси Z

Опорная плита (платформа оси Z) в рабочем резервуаре опускается на один уровень.

Шаг 2: Нанесение пудры

Устройство для нанесения покрытия перемещается вправо и влево, равномерно распределяя металлический порошок и формируя слой порошка.

Шаг 3: Предварительный нагрев (вся поверхность порошкового слоя)

Электронный луч облучает всю поверхность порошкового слоя в зоне сборки с высокой скоростью, обеспечивая предварительный нагрев металлического порошка. Этот нагрев обеспечивает лёгкое сцепление частиц порошка и предотвращает его рассыпание во время сборки.

Шаг 4: Плавление (зона сборки)

Участок, подлежащий застройке, выборочно облучается электронным лучом для его нагрева, плавления и затвердевания металлического порошка.

Этот процесс повторяется для формирования трехмерной структуры на основе трехмерных данных, слой за слоем.

После формирования последнего слоя весь объём печати внутри рабочей ванны охлаждается, и металлический 3D-принтер продувается. Деталь извлекается в виде массы, окружённой временно спечённым порошком (порошковой смесью). Извлекаемая деталь извлекается путём струйной очистки временно спечённого порошка с помощью системы рекуперации порошка (PRS).

Преимущества использования электронного луча в качестве источника тепла

• Высокая мощность

  В качестве источника электронов обычно устанавливается источник электронного луча высокой мощности от 4.5 кВт до 6 кВт, позволяющий осуществлять высокоскоростную сборку и сборку тугоплавких металлов.

• Высокая эффективность передачи

  Электронный луч обеспечивает высокоэффективную передачу энергии, поскольку в нем отсутствуют оптические компоненты, вносящие потери энергии между катодом (источником электронов) и мишенью облучения.

• Высокая скорость преобразования энергии

  Электронный луч — это высокоскоростной поток электронов, кинетическая энергия которых преобразуется в тепловую при воздействии на мишень. Хотя степень поглощения лазерного излучения (одной из форм света) различается в зависимости от отражательной способности различных материалов, эффективность преобразования тепла электронным лучом достигает 80% и более независимо от материала.

• Высокоскоростное сканирование

  Поскольку положение электронного пучка контролируется электрически с помощью электромагнитной катушки, возможно чрезвычайно высокоскоростное сканирование. Источник электронного пучка, используемый в аддитивном производстве металлов, позволяет перемещать электронный луч со скоростью более 1,000 м/с.

• Прогревание

  Благодаря мощному и высокоскоростному сканированию электронным лучом поверхность порошкового слоя на базовой плите можно предварительно нагреть от нескольких сотен до более чем 1000 °C за короткое время. Этот этап предварительного нагрева позволяет снизить остаточные напряжения в готовой детали, улучшить её механические свойства и предотвратить деформацию или растрескивание.

• Обработка в вакууме

  Электронно-лучевое облучение выполняется в вакууме. Этот этап вакуумной обработки позволяет снизить количество примесей, попадающих в процесс плавки металла, что обеспечивает высокое качество печати. Однако некоторые электронно-лучевые 3D-принтеры для печати по металлу требуют подачи инертного газа во время печати.

Строительные материалы для электронно-лучевых 3D-принтеров по металлу

Поскольку метод электронного луча подходит для конструкций из различных металлов, материалы используются в зависимости от отрасли промышленности.

• Титановые сплавы: авиация и космонавтика/биомедицина
• Сплавы на основе никеля: авиация и космонавтика/энергетика
• Чистая медь: катушки/проводящие части/теплообменники

Заключение

Электронно-лучевые 3D-принтеры для печати по металлу используют вакуумную среду и высокоплотный электронный луч для создания плотных моделей из активных и тугоплавких металлов. Горячий процесс с предварительным нагревом позволяет минимизировать деформацию деталей. Электронно-лучевые 3D-принтеры для печати по металлу зарекомендовали себя особенно хорошо в производстве моделей из труднообрабатываемых материалов, таких как титановые сплавы, сплавы на основе никеля и вольфрама, которые используются в аэрокосмической, медицинской и энергетической промышленности.

В будущем ожидается повышение точности сборки и функций мониторинга, что приведёт к более широкому внедрению этих технологий на производственных площадках. На производственных площадках, где приоритет отдаётся надёжности и эффективности производства сложных компонентов с высокой добавленной стоимостью, ожидается, что электронно-лучевые 3D-принтеры для металлической печати будут всё больше укреплять свои позиции в качестве стратегической технологии. JEOL продолжит поддерживать развитие технологий, интегрируя аддитивные технологии, обладающие потенциалом для стимулирования инноваций, с технологиями измерения и анализа для обеспечения стабильного качества.