Металлическая 3D-печать технологией электронно-лучевого плавления (EBM) на «Московском цифровом заводе»
На прошедшей выставке «Металлообработка 2023», во время конференции отраслевого портала «INDUSTRY3D» «Аддитивные технологии России», российский бренд «AM.TECH» представил своим клиентам технологию электронно-лучевого плавления (EBM). Российский бренд 5 различных технологий «AM.TECH» находится на «Московском цифровом заводе», который в начале августа начнет предлагать свои услуги по прототипированию и аддитивному производству. В продолжении презентации на выставке поговорим о технологии электронно-лучевого плавления (EBM) российского бренда «AM.TECH», рассмотрим преимущества и недостатки технологии, а также возможные применение данной технологии в различных секторах промышленности. Технология электронно-лучевого плавления (EBM) Электронно-лучевое плавление (EBM) или электронно-лучевой синтез в порошковом слое (EB PBF) для 3D-печати медных и титановых сплавов, которые имеют высокую теплопроводность. В данной технологии используется электронный пучок, создаваемый электронной пушкой как тепловой источник с высокой скорости преобразования энергии, в следствии чего происходит 3D-печать с высокой скоростью построения в рабочей камере слой за слоем. Полученные детали имеют отличные свойства с высокой плотностью, механическими и прочностными характеристиками, что позволяет использовать их для производства от газотурбинных лопаток до имплантатов тазобедренного сустава. С момента внедрения технологии аддитивного производства в конце 20-го века технология ЭЛП была на втором плане по сравнению с технологией лазерного плавления в порошковом слое (LPBF), но в процессе развития и коммерциализации технология ЭЛП (EBM), также привлекла внимание потребителей благодаря своим технологическим возможностям. За последние 2-3 года более 6-7 производителей 3D-принтеров вышли на рынок ЭЛП (EB PBF), добавляя «свежую струю» в отрасль. Растущее понимание преимуществ ЭЛП (EB PBF) по сравнению с технологией лазерного плавления в порошковом слое (LPBF) в определенных областях, таких как 3D-печать при высоких температурах, стимулируют разработку новых 3D-принтеров, материалов и процессов. За последние годы в индустрию 3D-принтеров с технологией ЭЛП (EBM) вошло беспрецедентное количество игроков, от небольших стартапов до транснациональных корпораций, которые борются за лидерство в данной сфере. Ветеран с почти 20-летним стажем работы над технологией ЭЛП(EBM), Arcam AB (теперь GE Additive) конкурирует с семью новыми компаниями, появившимися менее чем за десятилетие. Хотя это не стремительный рост, но этот рост также является ярким свидетельством высокого уровня интереса к технологии. Отраслевой портал аддитивного производства «INDUSTRY3D» ожидает рост конкуреyции в течение следующих нескольких лет в производстве 3D-принтеров ЭЛП(EBM), что приведет к разработке новых применений, обоснованных экономической и технической целесообразностью, и увеличит долю 3D-принтеров на рынке. Поэтому появление российского бренда «AM.TECH» с технологией ЭЛП (EBM) на Российском рынке является четко продуманной стратегией развития данной технологии. Подогревающийся интерес и доступность технологии, увеличивает число 3D-принтеров, которые открывают свои системы программного обеспечения, тем самым стимулируя возможности для разработок новых материалов. В настоящее время в отрасли принят более открытый подход к созданию и обмену знаниями, что является стратегией, направленной на содействие к скорейшему появлению рынка ЭЛП(EBM), чтобы извлечь выгоду в бизнесе. На данный момент выделяется компания «Wayland Additive» и ее запатентованная технология «NeuBeam», которая может произвести революцию в технологии ЭЛП(EBM). В двух словах суть этого процесса созданного британским стартапом заключается в использовании технологии нейтрализации заряда, создаваемого электронной пушкой для 3D-печати деталей без остаточных напряжений. Это возможно благодаря тому, что горячие температуры применяются только к порошку, который используется для 3D-печати компонентов, а не ко всему слою порошка. «Wayland» называет это процессом «горячей детали», в отличие от процесса «горячего слоя». С помощью этого процесса "горячей детали" деталь останется горячей, поскольку она изолирована в порошковом слое, но в то же время обеспечивает более быстрое охлаждение. Это означает, что во время печати используется меньше энергии, также улучшается качество порошка, который можно использовать повторно, поскольку после процесса в нем находится меньше кислорода. Принцип работы ЭЛП(EBM) Принципиальная схема системы ЭЛП (EBM) Технология ЭЛП(EBM) была изобретена в Шведском Гетеборгском университете, а коммерчески была разработана компанией «Arcam AB», которая до 2013 года была единственным поставщиком 3D-принтеров по технологии ЭЛП (EBM). Компания «Arcam» была приобретена «GE Additive» в 2016 году. ЭЛП(EBM) процесс классифицируется как плавление в слое металлического порошка, но, в отличие от LPBF(SLM), ЭЛП (EBM) использует электронный луч, а не лазер для плавления порошка «слой за слоем». По сравнению с LPBF(SLM) технология обладает некоторыми уникальными технологическими характеристиками. Например, вместо среды инертного газа в технологии ЭЛП (EBM) 3D-печать происходит в вакуумной среде для предотвращения рассеивания электронного пучка. Этот процесс классифицирован как «термический», где температура в рабочей камере построения достигает температуру до 1000 °C за счет энергии электронного пучка, который намного мощнее, чем лазеры в 3D-принтерах LPBF(SLM). Поскольку процесс использует электромагнитное управление лучом, луч также способен двигаться на более высоких скоростях и даже может быть разделен на несколько областей одновременно, луч может «предварительно нагревать» каждый слой перед началом фактического процесса 3D-печати. В процессе 3D-печати неиспользованный порошок «комкуется» вокруг детали, тем самым устраняя необходимость в создании поддержек, это приводит к общему убеждению, что ЭЛП (EBM) вообще не нуждаются в создании поддержек. Однако из-за высоких деформационных напряжений во время 3D-печати, требуется некоторое количество поддержек для отвода тепла от расплавленного материала или для крепления детали к рабочей платформе. Современные материалы ограничены наличием теплопроводных металлов и сплавов, поэтому наиболее чаще используются титан, алюминий, медь, никель и сталь. Основным преимуществом ЭЛП (EBM) является также возможность «укладывать» отдельные компоненты друг на друга во время одной загрузки для 3D-печати, что позволяет уменьшать время простоя 3D-принтера, постобработки и тем самым увеличивая производительность. Одним из наиболее успешных применений ЭЛП (EBM) является 3D-печать титановых чашек вертлужной впадины для замены в тазобедренном суставе. Так, компании «Amplify Additive» удалось сократить время выхода на рынок по сравнению с традиционным производством на 58%, успешно с помощью 3D-печати произведя 54 чашки за одну рабочую сборку, по сравнению с 12 при 3D-печати технологией LPBF(SLM). Детали складываются во время 3D-печати. Источник: Amplify Additive Однако, у этой возможности есть и недостатки. После завершения 3D-печати, рабочей камере необходимо полностью остыть, прежде чем вынимать из нее платформу построения с деталями. Внутренние каналы и другие полости в деталях трудно очищать из-за «запекания» порошка, что ограничивает свободу конструкций деталей по сравнению с LPBF(SLM). Удаление нерасплавленного порошка, удаляемого пескоструйной обработкой, составляет от 95% до 98%. Преимущества и недостатки ЭЛП 1.Способность выдерживать высокую температуру, легко растрескиваться и отводить внутренние напряжений 2.Высокая плотность деталей 3.Однородность микроструктуры и превосходные механические свойства 4.Минимальные требования к термообработке Однако технология ЭЛП (EBM) также имеет некоторые недостатки: 1.Ограниченный объем 3D-печати (максимальный формат 600 мм * 600 мм, высота 700 мм) 2.Ограниченный выбор материалов 3.Дорогие 3D-принтеры и материалы 4.Плохая чистота поверхности перед постобработки 5.Внутренние каналы или полости должны быть легко доступны, иначе спеченный порошок не сможет быть удален во время постобработки. 6.Детали необходимо охлаждать до полного остывания 7.Катоды, генерирующие электронный пучок, необходимо периодически заменять. 8.Вакуумной камере требуется определенное время для начала работы Применение технологии ЭЛП (EBM) Медицинские имплантаты, готовые к обработке (источник: FMI International) Медицинская отрасль С ростом потребности в сложных медицинских устройствах, таких как ортопедические имплантаты, при проектировании технология ЭЛП (EBM) предлагает свободу для выбора конфигурации, при этом соответствуя требованиям в медицинской отрасли к превосходным механическим свойствам. Помимо чашек вертлужной впадины, также 3D-принтеры ЭЛП(EBM) производят крупные ортопедические имплантаты, такие как компоненты бедренного колена, лотки большеберцовой кости, коленные суставы и спинномозговые клетки. Например, компания «4WEB Medical» производит ряд спинальных имплантатов с сетчатой структурой, основанных на интеграции нескольких конструкций и работающих на механобиологических принципах: механических свойств клеток и тканей, способствующих развитию, дифференцировке клеток, пролиферации и заживлению. Титановые имплантаты для межпозвоночного соединения с сетчатой структурой для оптимизирования эффекта лечения пациента (источник: «4WEB Medical») Авиационно-космическая промышленность Помимо медицинских имплантатов, авиационно-космическая промышленность тоже является крупным рынком для применения технологии ЭЛП(EBM). Так, лопатки турбин для газотурбинных двигателей для частных, коммерческих и военных самолетов производятся серийно с использованием этой технологии. Газотурбинные двигатели, оснащенные этими лопатками, произведенные на 3D-принтере, используются в двигателях LEAP, GEnx, GE90. Одной из основных компаний, ответственных за этот проект, является «Avio Aero» из Италии в сотрудничестве с «Arcam GE». Секрет успеха создания этих лопаток заключается в способности технологии ЭЛП (EBM) работать на высоких температурах с материалами такими как алюминид титана (TiAl), который на 50 процентов легче, чем никелевый сплав, из которого обычно изготавливаются лопатки. Полный комплект лопаток, произведённых на 3D-принтере, может снизить вес двигателя на целых 20%, что является качественным скачком для авиационной промышленности. Кроме того, мощный электронный луч может расплавлять более толстые слои, чем 3D-принтеры технологии LPBF(SLM), что делает 3D-печать более быстрой и эффективным выбором для этого применения. Готовая газотурбинная лопатка «Avio Aero», изготовленная на 3D-принтере Arcam EBM. Промышленный сектор Одним из преимуществ технологии ЭЛП (EBM) перед LPBF(SLM) является способность в получении деталей без пористости и окисления. На пример, компания «GH Induction», производитель электролитических медных трубок для индукционного нагрева, использует это преимущество для производства катушек из меди с чистотой 99,99%. Эти катушки, названные в честь линейки продуктов «3D Inductors», служат на 400% дольше, чем их обычные аналоги, при этом сохраняя свободу в выборе геометрии, которую предлагает 3D-печать.По данным компании, она является рекордсменом в 3D-печати самой большой медной катушки, произведенной на 3D-принтере, произведенной на специальном 3D-принтере «Arcam» с высотой по оси z-350 мм. Уникальной технологической особенность ЭЛП(EBM) является размещение деталей в одну 3D-печать, которая помогает «GH Induction» еще больше оптимизировать производительность своего производства. Так, «GH Induction» заявляет, что может производить 3D-печать катушек любой сложной геометрией и даже может комбинировать загрузку с деталями аддитивного производства и прототипирования. Примеры использования включают катушки для термической обработки коленчатых валов, ступиц и главных валов, трансмиссий, поворотных подшипников и т. д. Самая большая медная катушка, напечатанная на 3D-принтере, выращенная на «Arcam» (источник: GH Induction) 3D-принтеры AM.TECH технологии ЭЛП (EBM) Российский бренд «AM.TECH» предлагает на Российском рынке три промышленных 3D-принтера с технологией ЭЛП (EBM). 3D-печать детали из чистой меди, представлено «AM.TECH Детали из чистой меди, представлено «AM.TECH» 3D-печать с сетчатыми структурами из молибдена, представлено «AM.TECH» 3D-принтер «AM.TECH»-150 EBM 3D-принтер «AM.TECH»-200 EBM 3D-принтер «AM.TECH»-200 EBM ориентирован на производительность при 3D-печати, но может быть адаптирована для научных исследований. При необходимости камеры построения можно менять местами с 100 x 100 x 100 мм до 200 x 200 x 200 мм для самой большой 3D-печати. Он оснащен быстрым предварительным нагревом до 1300 °C, видеомониторингом в реальном времени и позволяет регулировать параметры процесса для ускорения разработки параметров материалов. Максимальная мощность электронного пучка составляет 3 кВт. 3D-принтер предназначен для серийного производства газотурбинных лопаток с использованием материала алюминид титана TiAl, а также для разработок и производства деталей из тугоплавких металлов, таких как вольфрам и ниобий. 3D-принтер «AM.TECH»-EBM 400 разработан для производства крупногабаритных деталей. С электронной пушкой мощностью в 6 кВт, за счет большой камеры построения, 3D-печать имеет более высокую эффективность и меньшую стоимость производимых деталей. Максимальный размер 3D-печати составляет 400×400×400 мм. Для 3D-печати он использует титановые сплавы, чистую медь, нержавеющую сталь и другие материалы. В последние несколько лет мы наблюдаем большой интерес к технологии ЭЛП (EBM) во всем мире за счет появления новых разработок и новых возможных материалов. Отраслевой портал аддитивного производства «INDUSTRY3D» предполагает яркое будущее для технологии ЭЛП (EBM) российского бренда «AM.TECH». Нет никаких сомнений, что технология будет востребована на Российском рынке аддитивного производства. Это стало ясно после выставки «Металлообработка-2023», где технология ЭЛП (EBM) вызвала повышенный интерес у потенциальных клиентов. Уже сейчас российский бренд «AM.TECH» с технологией ЭЛП (EBM) имеет несколько твердых заказов на поставку 3D-принтеров, которые будут только расти по мере понимания возможностей данной технологии и применения новых материалов. 
На примере, автомобильной детали изготовленной ЭЛП (EBM), преимущества производства и использование малого количества поддержек для 3D-печати ЭЛП (EBM):
3D-принтер «AM.TECH»-150 EBM предназначен для производства ортопедических имплантатов, с мощностью электронного луча в 3 кВт, с максимальными габаритами 3D-печати 150 x 150 x 180 мм (с возможностью модернизации до 170 x 170 x 180 мм). Для 3D-печати используются медицинские металлические сплавы такие как: титановый, танталовый, циркониевый и т. д. Процесс 3D-печати осуществляется без присутствия оператора. В 3D-принтере «AM.TECH»-150 EBM при необходимости в научных исследованиях, параметры процесса могут быть отрегулированы для 3D-печати с уменьшенной габаритами камерой построения до 100 x 100 x 100 мм, что удобно при разработки новых материалов, таких как различные титановые сплавы, тугоплавкие металлы, интерметаллические соединения, высоко энтропийные сплавы, жаропрочные сплавы, нержавеющая сталь, циркониевые сплавы, твердые сплавы и др.
3D-принтер «AM.TECH»-400 EBM
