Servizi di stampa 3D in titanio - EBM

La fusione a fascio di elettroni (EBM) sta trainando la crescita della produzione additiva grazie alla sua capacità di produrre in modo efficiente parti in titanio di precisione e ad alta resistenza.

Fusione a fascio di elettroni per parti in titanio personalizzate

La fusione a fascio di elettroni (EBM) fa parte della famiglia della fusione a letto di polvere. A differenza della sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), utilizza un fascio di elettroni per fondere la polvere di titanio e creare il pezzo desiderato strato per strato. Wstitanium ha investito in una macchina per la stampa 3D con fusione a fascio di elettroni nel 2018 e ha iniziato a fornire questo servizio. La tecnologia EBM è in grado di creare parti in titanio con strutture complesse e ad alta resistenza. Come suggerisce il nome, la principale differenza tra la fusione a fascio di elettroni e la tecnologia di sinterizzazione laser diretta dei metalli è la fonte di calore utilizzata. In questo caso, la tecnologia EBM utilizza un fascio di elettroni generato da un cannone elettronico. Quest'ultimo estrae elettroni da un filamento di tungsteno sotto vuoto e li proietta in modo accelerato sullo strato di polvere metallica depositato sulla piastra di stampa della stampante 3D. Questi elettroni saranno quindi in grado di fondere selettivamente la polvere, producendo il pezzo. Rispetto alla fusione laser a letto di polvere, l'EBM è un metodo di produzione additiva a maggiore consumo energetico che può aumentare la produttività e controllare meglio gli effetti dello stress termico durante la stampa 3D in metallo.

Come funziona la fusione a fascio di elettroni?

Tutto inizia con la modellazione 3D del componente in titanio da realizzare. È possibile modellarlo manualmente utilizzando un software CAD, oppure acquisirlo tramite scansione 3D o scaricando un modello a scelta. Il modello 3D viene quindi inviato al software di slicing, che lo seziona in base ai successivi strati fisici di materiale depositato. Lo slicer invierà quindi tutte queste informazioni direttamente alla stampante 3D, che potrà quindi iniziare il processo di produzione. La polvere di titanio può essere caricata in un serbatoio all'interno della macchina. Verrà depositata in strati sottili, preriscaldata prima di essere fusa dal fascio di elettroni. In particolare, questa fase fornisce un maggiore supporto per le aree sporgenti del componente stampato in 3D.

Passo 1 : La piattaforma di stampa si assicura che sia pulita e priva di contaminanti, quindi un sottile strato di polvere di titanio viene distribuito uniformemente sulla superficie. Il fascio di elettroni viene "attivato", riscaldando la piattaforma di stampa ad alta temperatura. Ad esempio, il titanio richiede 600-700 °C.

Passo 2 : La fusione di polvere strato per strato è il processo di distribuzione di un nuovo strato di polvere dopo la fusione del precedente. Il fascio di elettroni fonde selettivamente la polvere in base al modello digitale, garantendo una costruzione accurata strato per strato. La polvere si fonde solo dove è necessario per costruire la geometria del componente finale.

Passo 3 :Le lenti elettromagnetiche e le bobine di deflessione controllano con precisione la posizione e la messa a fuoco del fascio di elettroni per garantire una fusione precisa.

Passo 4 : Le fasi di distribuzione, riscaldamento e fusione vengono ripetute più e più volte fino alla formazione del pezzo. Il risultato finale appare come un blocco semisolido o una torta di polvere. Il blocco conterrà tutta la polvere preriscaldata, fusa o meno. Il pezzo viene rimosso e depolverizzato.

Passo 5 :Il monitoraggio del processo e il controllo della qualità comportano l'uso di sensori e telecamere per monitorare il processo di fusione in tempo reale, mentre il sistema tiene traccia dei parametri di produzione e regola il processo per garantire un output di alta qualità.

Servizi di finitura

Dopo Una volta completato il processo di produzione, l'operatore rimuove il pezzo in titanio dalla macchina e spruzza la polvere non fusa con una pistola ad aria compressa o un pennello. Successivamente, i supporti di stampa possono essere rimossi e il pezzo separato dalla piattaforma di stampa. Le fasi di post-stampa possono includere la lavorazione delle superfici a contatto con altri pezzi, la lucidatura, ecc. In alcuni casi, potrebbe essere necessario riscaldare il pezzo in forno per diverse ore per rilasciare le tensioni create durante il processo di produzione.

Note: che tutta la produzione deve essere eseguita sotto vuoto affinché il fascio di elettroni funzioni correttamente. Questo impedisce anche l'ossidazione della polvere durante il riscaldamento. Al termine del processo produttivo, gran parte della polvere non fusa può essere riutilizzata quasi direttamente. È facile comprendere l'interesse di questo processo per i produttori, soprattutto nel settore aerospaziale, dove solitamente solo il 20% del materiale acquistato viene effettivamente utilizzato per produrre il componente finale, mentre il resto viene rimosso tramite lavorazione CNC.

Materiali metallici ammessi da EBM

Poiché l'EBM si basa sul principio delle cariche elettriche, il materiale utilizzato deve essere elettricamente conduttivo. Se il materiale non ha proprietà conduttive, non ci sarà alcuna interazione tra il fascio di elettroni e la polvere. Pertanto, è tecnicamente impossibile produrre parti in polimero o ceramica con un fascio di elettroni: si possono utilizzare solo metalli. Alcuni materiali comuni includono:

Vantaggi dell'EBM

I componenti in titanio realizzati con EBM presentano eccellenti proprietà fisiche e sono resistenti e densi. Un vantaggio chiave della tecnologia a fascio di elettroni è la velocità di stampa: può riscaldare e stampare la polvere in più punti contemporaneamente. Il fascio di elettroni ad alta energia preriscalda inoltre la polvere prima della fusione, contribuendo ad accelerare il processo. Inoltre, le impurità vengono eliminate durante il processo di fusione a fascio di elettroni ad alta intensità.

Alta densità delle parti
Stampa più velocemente di DMLS
Eccellenti proprietà meccaniche
Riduce al minimo la necessità di trattamento termico
La polvere non utilizzata è riciclabile al 95-98%
Richiede meno supporti rispetto a DMLS

Svantaggi dell'EBM

Le parti in titanio realizzate con EBM presentano una superficie ruvida, potrebbero richiedere una finitura superficiale aggiuntiva e non sono precise come altre tecnologie di stampa 3D.

Applicazione di parti in titanio EBM

Poiché le stampanti 3D EBM e le polveri sono costose, questa tecnologia non è ancora stata utilizzata per la produzione su larga scala. In genere, viene utilizzata per realizzare piccole serie di componenti con strutture complesse. Come ci si aspetterebbe da una tecnologia utilizzata per realizzare componenti in titanio ad alta resistenza, trova impiego in molti settori. L'EBM ha trovato applicazioni in settori come la medicina, l'aviazione e il motorsport.

Aeronautico

La fusione a fascio di elettroni (EBM) può creare pale di turbina leggere e ad alta resistenza con canali di raffreddamento complessi per prestazioni ed efficienza migliorate. L'EBM può anche apportare vantaggi ai componenti strutturali aerospaziali creando geometrie complesse e fornendo un'elevata resistenza meccanica, migliorando così le prestazioni e la durata degli aeromobili. Il segreto del successo di queste pale è la capacità dell'EBM di lavorare materiali caldi e soggetti a cricche come l'alluminuro di titanio (TiAl), che è il 50% più leggero delle leghe di nichel con cui vengono tipicamente realizzate le pale. Una turbina completamente stampata in 3D può ridurre il peso di un motore fino al 20%, il che rappresenta un enorme passo avanti per l'industria aeronautica. Inoltre, il potente fascio di elettroni può fondere strati più spessi rispetto al suo principale concorrente, la fusione laser a letto di polvere, rendendola un'opzione più rapida ed efficiente per questa applicazione. Tra i motori a reazione equipaggiati con queste pale stampate in 3D figurano LEAP, GEnx, GE90 e GE90, che alimentano aerei passeggeri come il Boeing 777, il Dreamliner e il 747-8.

Medicale

Con la crescente complessità dei dispositivi medici, come gli impianti ortopedici, EBM consente una maggiore libertà di progettazione, soddisfacendo al contempo i requisiti del settore medico in termini di proprietà meccaniche superiori. EBM progetta su misura per specifiche applicazioni per i pazienti, garantendo una migliore vestibilità e integrazione. Le capacità produttive di precisione di EBM consentono inoltre la produzione di restauri dentali durevoli e biocompatibili, migliorando il comfort del paziente e la longevità nelle applicazioni dentali. EBM può anche produrre altri impianti ortopedici di grandi dimensioni, come componenti femorali per ginocchio, vassoi tibiali, gabbie per ginocchio e colonna vertebrale e una gamma di impianti per tralicci spinali.

Automotive

Nell'industria automobilistica, la fusione a fascio di elettroni (EBM) viene utilizzata per produrre componenti leggeri come parti di motore ed elementi strutturali, migliorando così l'efficienza dei consumi e le prestazioni del veicolo. L'EBM supporta inoltre le case automobilistiche nella prototipazione e nella produzione di componenti personalizzati, accelerando le iterazioni di progettazione e riducendo i tempi di commercializzazione. I casi d'uso includono bobine per il trattamento termico di alberi motore, mozzi e mandrini, trasmissioni, cuscinetti volventi e altro ancora.

Industria manifatturiera

Uno dei vantaggi dell'EBM rispetto all'LPBF è la sua capacità di creare parti metalliche estremamente pure, prive di porosità o ossidazione. GH Induction, produttore di attrezzature e macchinari specializzati per il riscaldamento a induzione industriale, sfrutta questa caratteristica per produrre bobine di rame con una purezza del 99.99%. Queste bobine della linea di prodotti 3D Inductor hanno una durata utile superiore del 400% rispetto alle loro controparti tradizionali, beneficiando al contempo della libertà di progettazione offerta dalla stampa 3D.