EBM - Electron Beam Melting

Skrót EBM oznacza z ang. Electron Beam Melting czyli w wolnym tłumaczeniu topienie za pomocą wiązki elektronów. EBM jest jedną z technologii warstwowego wytwarzania elementów metalowych.

Maszyny EBM budują obiekty bezpośrednio z danych CAD 3D poprzez warstwowe nanoszenie proszku metalu na obniżającą się platformę, a następnie przetapianie każdej z kolejnych warstw przy pomocy zogniskowanego strumienia elektronów, w taki sposób, że aktualna warstwa jest całkowicie przetopiona i trwale połączona z poprzednią. Proces odbywa się w komorze próżniowej, gdyż w przeciwnym razie atomy gazu rozpraszałyby promień elektronowy. Dzięki wysokiej próżni z minimalnym udziałem helu (ok. 1x10^-5 mBar), maszyna EBM może wytwarzać detale ze skomplikowanymi strukturami przestrzennymi, z jednoczesnym zachowaniem najwyższych standardów czystości przetapianych stopów metali. Głównie z powodu wysokiej gęstości i czystości struktury metalicznej, technologia Electron Beam Melting znalazła zastosowanie w produkcji implantów, zawierających struktury porowate, ułatwiające osteointegrację, które to z kolei są niemożliwe do wykonania obróbką skrawaniem. EBM jest również technologią wielokrotnie szybszą od DMLS i SLM, jednak oferuje dużo mniejszą dokładność budowanych elementów i gorszą jakość powierzchni, przez co większość części inżynieryjnych, wymaga dodatkowej obróbki skrawaniem. Teoretycznie również efektywność pochłaniania przez proszek metalowy samego promienia elektronowego, jest znacznie wyższa od promieniowania laserowego (bo aż ok. 95%), co powinno się przełożyć na dużo większą sprawność całego procesu, jednak wytworzenie wysokiej próżni oraz dużej różnicy potencjałów miedzy katodą i anodą działa elektronowego, znacznie zwiększa pobór energii przez całość systemu EBM. W przeciwieństwie do technologii DMLS/SLM, części wyprodukowane w technologii EBM zwykle nie wymagają obróbki cieplnej gdyż sam proces jest dużo szybszy a dodatkowo dzięki izolacyjnym właściwościom próżni ciepło zostaje uwięzione wewnątrz budowanych elementów, przez co ilość naprężeń przetopowych jest minimalna. Produkcja proszków metali dla technologii Electron Beam Melting wymaga znacznie większego doświadczenia eksperymentalnego, niż w przypadku proszków dla technologii DMLS/SLM. W celu uzyskania części z niektórych znormalizowanych stopów, przy użyciu technologii EBM, należy stosować stopy o nieco zmienionym składzie procentowym w stosunku do składu stopu docelowego. Przykładowo przetapianie metodą EBM popularnego stopu lotniczego TiAl6V4 wymaga zastosowania stopu o podwyższonej zawartości aluminium, gdyż znaczna część tego niskotopliwego pierwiastka na skutek wysokiej energii promieniowania elektronowego wyparowuje w trakcie procesu i gdyby nie stosowano zbilansowanego składu stopu, otrzymałoby się materiał o dużo niższej zawartości aluminium niż żądana.

EBM

Rysunek przedstawia zasadę działanie technologii EBM

Electron Beam Melting Arcam

Wnętrze komory próżniowej maszyny Electron Beam Melting firmy Arcam, model - A1

wiązka EBM

Zdjęcie rozgrzanej do białości wiązką elektronów części budowanej w maszynie EBM.

Historia

W 1993 r. złożono wniosek w szwedzkim urzędzie patentowym. Dotyczył on urządzenia do budowy elementów metalowych poprzez spajanie warstw sproszkowanego materiału, przy pomocy wysokoenergetycznego promienia cząstek obdarzonych ładunkiem dodatnim lub ujemnym, o znamionach przetapiania wiązką elektronową. Od 1997 r. patent ten stał się własnością nowopowstałej firmy Arcam AB, która zaczęła rozwijać technologię EBM przy współpracy z Uniwersytetem Technologicznym Chalmers z Goeteborga, aż do jej pełnej komercjalizacji w 2002 r., kiedy to rozpoczęto sprzedaż pierwszych maszyn EBM S12. Kolejnymi udoskonaleniami S12 były maszyny A1 A2 i największa A2 XX. W 2013 r. Arcam wypuścił nową maszynę dedykowaną dla branży implantologicznej, pod nazwą Q10, która tak jak i modele A1 i A2 oferuje przyspieszoną pracę z wieloma promieniami elektronowymi, działającymi w trakcie pojedynczej ekspozycji warstwy (aż do 100 promieni na raz), dzięki czemu jeszcze bardziej zwiększono prędkość pracy maszyny.

W 2007 roku Adler Ortho Group, włoski producent implantów ortopedycznych oraz  Lima Corporate z USA, uzyskali certyfikat i patent na produkcję implantów panewek stawu biodrowego, wykonanych w technologii Electron Beam Melting oraz posiadających zaprojektowane struktury porowate ułatwiające osteointegrację. Jest to obecnie jedno z najbardziej rewolucyjnych osiągnieć technologii EBM w dziedzinie budowy metalowych implantów ortopedycznych, gdyż rozwiązanie to niweluje wiele problemów objawiających się u pacjentów z panewkami wykonanymi metodami klasycznymi bez struktur porowatych, takich jak ubytek tkanki kostnej, na skutek kontaktu z obciążanym implantem.
Również w przemyśle lotniczym technologia EBM odnotowuje rewolucyjne sukcesy. Niedawno firma Avio produkująca części do przemysłu lotniczego i kosmicznego, rozpoczęła produkcję łopatek do silników turboodrzutowych z żaroodpornego stopu TiAl, w technologii EBM dla niskociśnieniowego stopnia turbiny. Tego typu łopatki mają zastąpić klasyczne rozwiązanie oparte na dużo cięższych stopach niklu. GE Aviation ogłosił, że łopatki TiAl Avio będą stosowane w najnowszym silniku GEnx dla Boeinga 787 i 747-8. GEnx będzie jednym z pierwszych komercyjnie dostępnych silników lotniczych, w których użyte zostaną wysoko odpowiedzialne części wykonane w jednej z technologii warstwowego wytwarzania czy też jak kto woli druku 3D!

Technologia Electron Beam Melting jest nadal stosunkowo młodym pomysłem o wielkim potencjale rozwoju. Obecnie Arcam jest jednym z partnerów badań sponsorowanych przez UE, mających na celu stworzenie jeszcze szybszej technologii EBM (Fast EBM project), pozwalającej na masową produkcję części metalowych na zasadach konkurencyjnych dla klasycznych technik odlewniczych.

Aplikacje

  • produkcja skomplikowanych części metalowych dla przemysłu lotniczego
  • ogólne prototypowanie elementów metalowych
  • produkcja implantów metalowych do zastosowań implantologicznych
  • produkcja części metalowych dla przemysłu kosmicznego

Implant panewki stawu biodrowego

Implant panewki stawu biodrowego z widoczną strukturą porowatą ułatwiającą osteointegrację.

Łopatki silnika turboodrzutowego

Łopatki silnika turboodrzutowego z żaroodpornego stopu TiAl (bez wykańczającej obróbki skrawaniem). Na jednej z nich widoczna nieoddzielona struktura podporowa.

Zalety

  • wysokie tempo budowania skomplikowanych elementów metalowych
  • prawie nieistniejące naprężenia przetopowe w wykonywanych częściach
  • brak konieczności obróbki termicznej po procesie
  • niskie ceny materiałów eksploatacyjnych
  • doskonałe własności mechaniczne materiałów i ich struktura wewnętrzna oraz czystość
  • wysoki potencjał rozwoju

Wady

  • dużo niższa jakość powierzchni w porównaniu do technologii DMLS/SLM
  • dużo niższa dokładność wymiarowa w porównaniu do technologii DMLS/SLM
  • stosunkowo wysoki pobór energii elektrycznej
  • wymagane struktury podporowe, aczkolwiek w mniejszym stopniu niż w przypadku technologii DMLS/SLM
  • częsta wymiana włókna działa elektronowego (100-200h)