Elektronové 3D tiskové systémy s práškovým ložem Arcam

Zkratka EBM znamená Electron Beam Melting, někdy se používá také onačení EB-PBF, tedy Electron Beam Powder Bed Fusion. Tato technologie vyhoví požadavkům na širokou škálu materiálů, tvarovou stálost a mechanické vlastnosti dílců i vysokou produktivitu výroby.

Svazek elektronů vs laser

To může být překvapivé pro lidi, kteří znají laserové systémy s práškovým ložem pro aditivní výrobu z kovů. EBM systémy využívají, podobně jako známější laserové systémy, postupného nanášení prášku v celé ploše lože a následného natavování vrstvy prášku. Obě dávají konstruktérům volnost vytvářet složité geometrie, přidávat funkčnost, zmenšovat velikost a snižovat hmotnost. Tím však podobnost končí.
EBM používá k natavování prášku elektronový svazek. Kombinace velmi rychle se pohybujícího svazku a zvýšených provozních teplot umožňuje optimalizovat rychlost ohřevu každé vrstvy tak, aby řádově snížilo tepelné namáhání vyráběných dílů. To z větší části eliminuje potřebu vytvářet podpůrné struktury, které by jinak byly potřeba proti deformacím způsobeným vnitřním pnutím.
To se ukázalo jako klíčová vlastnost především u materiálů, které mají sklony k praskání při použití jiných technologií, a které jsou obtížně svařitelné a obrobitelné. Mezi ně patří například aluminid titanu.

Výhody homogenního tavení prášku

Vysokoteplotní výrobní proces umožňuje zpracovávat materiály náchylné k praskání; tlustostěnné díly, které by měly jinak příliš vysoké pnutí; stejně jako tenkostěnné díly a pruty.

Letecké aplikace

Kolem roku 2008 začala společnost Arcam spolupracovat s italským výrobcem Avio Aero na vývoji nízkotlakých turbínových lopatek z aluminidu titanu (TiAl) pro nový proudový motor GE9X. Každý motor GE9X má 228 lopatek. TiAl lopatka váží polovinu původní hmotnosti inconelové lopatky, což je podstatné pro snižování spotřeby paliva. TiAl je materiál vlastnostmi blízký spíše keramice díky podobné pevnosti, tepelné odolnosti, ale bohužel také křehkosti. Je těžko obrobitelný a nelze jej zpracovat laserem. Vývoj trval deset let, ale od roku 2019 GE vyrábí tisíce lopatek ročně.
Lopatky a také kyčelní jamky pro medicínské odvětví byly úspěšné projekty, které vedly k vylepšení EBM systémů tak, aby splňovaly nejnáročnější požadavky dvou nejpřísněji regulovaných odvětví.
Společnost GE Aerospace byla natolik ohromena schopnostmi EBM, že v roce 2016 Arcam koupila a ten se stal součástí Colibrium Additive, která pod GE Aerospace spadá. Součástí Colibrium Additive je také výrobce kovových prášků AP&C.

Vysoká produktivita výroby koncových dílů

Současné EBM systémy od Colibrium Additive mají přepracovaný systém elektromagnetických čoček, který kompenzuje možné odchylky způsobené velkými úhly vychylování svazku. Vyvinula také systém pro automatickou kalibraci, čímž se vyloučily chyby manuální kalibrace.
Nové systémy udržují teplotu v menším rozmezí, což je potřeba pro materiály náchylné k praskání. To není snadné, protože nelze spoléhat na hodnoty senzorů. Na to je proces příliš dynamický. Colibrium Additive místo toho využívá časově závislý tepelný model založený na známém vstupu (elektronový svazek) a tepelné kapacitě materiálu. To se ověřuje pomocí kamer, které snímají změny teploty práškové lože.
Kompenzace vychýlení paprsku a úzké teplotní rozmezí jsou dva předpoklady pro schopnost systému stohovat díly na sebe. Minimalizuje se tepelné namáhání a v důsledku toho nutnost kotvení dílů ke stavební desce.
Díly vyžadují buďto málo nebo žádné podpůrné struktury. Díly tak mohou být blízko sebe volně v práškovém loži a vyžadují malé, pokud vůbec nějaké následné zpracování. Nevyžadují žíhání pro odstranění vnitřního pnutí.
Právě stohování je důvodem, proč je EBM tak produktivní. Navíc velmi rychlý svazek umí udržet naživu až 70 tavných bodů současně. Ohřátí komory na pracovní teplotu sice chvíli trvá, ale pak je proces velmi rychlý. Čas výroby přepočtený na díl je výrazně kratší než u jiných technologií. Čím je více dílů v jedné stavbě, tím je EBM produktivnější.
Aplikace se neomezuje pouze na titanové slitiny. Colibrium Additive nabízí hotové řešení také pro kobalt-chromové slitiny a inconel. Uživatelé navíc zvládli aplikaci např. vysokorychlostní oceli, korozivzdorné oceli, mědi, wolframu a karbidu wolframu.

Bodová expozice – Point Melt

Posledním milníkem ve vývoji EBM je bodová expozice zvaná Point Melt. Ta eliminuje tepelné vlny způsobené vektorovou (šrafovací) expozicí, která prochází vrstvou postupně z jedné strany na druhou. Bodová expozice vyťukává svazkem celou exponovanou oblast, při čemž přeskakuje z místa na místo. Oblast je rovnoměrně tepelně zatěžována a nevznikají tepelné vlny.
Výsledkem je možnost stavby dílů zcela bez podpůrných struktur v jakékoliv poloze. Drsnost povrchu je také v rámci dílu sjednocena, a to ve všech náklonech geometrie – až do rovného stropu.
Další výhodou je lepší kontrola nad strukturou materiálu. Ta může být homogenní nebo může mít vertikálně protáhlá zrna.

Technologii nabídne Misan na MSV v Brně

Se zužováním tolerancí a zvyšováním účinnosti EBM procesu roste i přesnost detailů, kvalita povrchu a geometrické možnosti. Klesají náklady na díl, eliminuje se tepelné zpracování pro snížení pnutí a nutnost stavět podpůrné struktury. To dává systémům od Colibrium Additive šanci oslovit širší spektrum zákazníků. Přijďte se blíže seznámit s touto pokrokovou technologií do expozice Misan na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně. Misan nabízí 3D tisk, obrábění i automatizaci v pavilonu A1, číslo stánku 003.