Gambaran Umum Manufaktur Aditif EBM
Electron beam melting (EBM) adalah jenis manufaktur aditif fusi unggun serbuk yang menggunakan berkas elektron untuk secara selektif melelehkan dan memadukan partikel serbuk logam lapis demi lapis untuk membangun komponen 3D yang kompleks.
Karakteristik utama dari proses EBM meliputi:
- Membuat komponen yang sepenuhnya padat dari bahan baku serbuk logam
- Menggunakan berkas elektron sebagai sumber energi
- Beroperasi di bawah vakum dan suhu tinggi
- Mencapai sifat mekanik yang sangat baik
- Ideal untuk logam reaktif seperti titanium dan tantalum
- Memungkinkan geometri kompleks yang tidak mungkin dilakukan dengan pemesinan
- Pasca-pemrosesan mungkin diperlukan untuk mencapai hasil akhir bagian akhir
EBM memberikan manfaat kebebasan desain, konsolidasi komponen, pengurangan bobot, dan peningkatan kinerja di seluruh aplikasi kedirgantaraan, medis, gigi, otomotif, dan industri.
Bagaimana EBM Additive Manufacturing Bekerja
Proses manufaktur aditif EBM bekerja sebagai berikut:
- Model CAD 3D diiris menjadi lapisan penampang yang tipis.
- Serbuk logam didistribusikan secara merata di atas pelat rakitan dalam ruang vakum.
- Sinar elektron secara selektif memindai dan melelehkan bubuk berdasarkan data irisan.
- Pelat rakitan turun ke bawah dan lapisan bedak lainnya disebarkan di atasnya.
- Langkah 3-4 ulangi sampai bagian tersebut selesai.
- Serbuk yang berlebih dihilangkan dan bagian tersebut diberi perlakuan panas.
- Pasca-pemrosesan seperti pemesinan atau pengeboran dapat dilakukan jika diperlukan.
Mesin EBM secara tepat mengontrol berkas elektron menggunakan lensa elektromagnetik dan kumparan defleksi. Proses ini berlangsung di bawah vakum tinggi yang memungkinkan suhu leleh yang sangat tinggi.
Jenis-jenis Sistem Manufaktur Aditif EBM
Ada dua tipe utama mesin EBM:
| Jenis Mesin | Deskripsi | Ukuran Bangun | Bahan | Aplikasi |
|---|---|---|---|---|
| Sistem kecil | Biaya lebih rendah, cocok untuk komponen kecil | 150 x 150 x 150 mm | Titanium, krom kobalt, tahan karat, baja perkakas | Gigi, medis, penelitian |
| Sistem besar | Untuk aplikasi produksi volume tinggi | 500 x 400 x 400 mm | Titanium, inconel, tantalum | Kedirgantaraan, otomotif, industri |
Arcam EBM dan GE Additive adalah produsen sistem EBM utama yang menawarkan mesin berskala kecil dan besar.
Bahan untuk Manufaktur Aditif EBM
Berbagai jenis logam dapat diproses menggunakan teknologi EBM:
- Paduan Titanium: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
- Paduan nikel: Inconel 718, Inconel 625
- Paduan kobalt-krom: CoCrMo
- Baja: Baja tahan karat, baja perkakas, baja kawin
- Logam tahan api: Tantalum, tungsten
- Logam mulia: Perak, emas, platinum
- Paduan aluminium: AlSi10Mg
Titanium sangat cocok untuk EBM karena reaktivitasnya. Tetapi proses ini juga dapat membuat komponen berkekuatan tinggi dan tahan korosi dari paduan canggih lainnya.
Aplikasi Manufaktur Aditif EBM
Aplikasi utama meliputi:
Dirgantara: Bilah turbin, komponen mesin, badan pesawat, dan bagian struktural
Implan medis: Implan ortopedi, perangkat fiksasi, instrumen bedah
Otomotif: Roda turbocharger, badan katup, bagian sistem bahan bakar
Industri: Penukar panas, bejana tekan, rumah pompa, jig dan perlengkapan
Minyak dan gas: Alat lubang bawah, badan katup, manifold
Pertahanan: Komponen satelit dan UAV, pelapisan lapis baja
EBM memungkinkan komponen yang lebih ringan, lebih kuat, dan berkinerja lebih tinggi dengan desain yang dioptimalkan di seluruh industri ini.
Manfaat dari EBM Additive Manufacturing
Manfaat teknologi EBM meliputi:
- Porositas rendah - Mendekati kepadatan 100% menghasilkan sifat mekanik yang sangat baik
- Kekuatan tinggi - Paduan titanium cocok dan bahkan melebihi sifat material tempa
- Kebebasan desain - Geometri yang kompleks dapat diproduksi
- Pembuatan prototipe cepat - Mempercepat siklus pengembangan produk
- Konsolidasi bagian - Mengurangi rakitan dengan mengintegrasikan beberapa komponen
- Pengurangan berat badan - Komponen yang lebih ringan memungkinkan penghematan bahan bakar di bidang otomotif dan kedirgantaraan
- Produksi tepat waktu - Mengurangi waktu tunggu yang lama untuk pengecoran dan penempaan
- Produk yang disesuaikan - Perangkat medis khusus pasien dan barang konsumen yang dipersonalisasi
- Produksi yang berkelanjutan - Mengurangi limbah dibandingkan dengan metode subtraktif
Manfaat-manfaat ini mendorong adopsi EBM di seluruh industri untuk meningkatkan kinerja, mengurangi biaya, dan memungkinkan inovasi produk baru.
Keterbatasan Manufaktur Aditif EBM
EBM memang memiliki beberapa keterbatasan:
- Biaya peralatan yang tinggi - Mesin EBM memiliki biaya modal awal yang tinggi dalam kisaran $500.000-$1,5 juta
- Batasan ukuran bagian - Membangun amplop membatasi dimensi bagian maksimum
- Akurasi dimensi - Pasca-pemrosesan sering kali diperlukan untuk mencapai toleransi yang ketat
- Permukaan akhir - Efek loncatan tangga menyebabkan permukaan kasar yang membutuhkan finishing
- Tingkat pembangunan - Lebih lambat dari proses fusi bedengan bubuk yang menggunakan sinar laser atau elektron
- Logam reaktif - Terbatas pada logam lembam atau logam seperti titanium dan tantalum
- Penghapusan bubuk - Serbuk logam yang tidak terpakai harus dibuang dan didaur ulang
- Tekanan termal - Dapat menyebabkan bagian melengkung dan retak
Pengembangan berkelanjutan dalam teknologi EBM bertujuan untuk meningkatkan kecepatan, kualitas, fleksibilitas material, dan efektivitas biaya.
Prinsip Desain untuk Manufaktur Aditif EBM
Mengikuti panduan desain sangat penting untuk berhasil memanfaatkan teknologi EBM:
- Meminimalkan overhang dan geometri yang tidak didukung
- Sertakan lubang kecil (1-2 mm) untuk menghilangkan bubuk berlebih
- Memanfaatkan struktur kisi untuk mengurangi bobot
- Pertahankan ketebalan dinding di atas 1 mm
- Sertakan sudut ≥ 30° untuk menghindari konsentrasi tegangan
- Memperhitungkan faktor penskalaan linier 0,2%
- Berikan toleransi 0,2 mm pada detail yang halus
- Desain saluran internal ≥ 2 mm untuk jarak bebas bubuk
- Meminimalkan area akumulasi bubuk yang terperangkap
- Posisikan bagian pada pelat untuk meminimalkan luas penampang
Alat simulasi membantu menilai kinerja desain di awal proses desain. Desain dapat dioptimalkan secara spesifik untuk kemampuan AM.
Parameter Proses untuk EBM
Parameter proses EBM yang penting meliputi:
- Kekuatan balok - Mempengaruhi laju pembentukan, porositas, struktur mikro
- Kecepatan sinar - Kecepatan yang lebih tinggi meningkatkan kecepatan pembuatan tetapi dapat mengganggu kepadatan
- Fokus sinar - Perpaduan pemfokusan dan kontrol defleksi
- Strategi pemindaian - Arah raster bergantian antar lapisan mengurangi tegangan sisa
- Ketebalan lapisan - Lapisan yang lebih halus meningkatkan resolusi tetapi mengurangi kecepatan pembuatan
- Bangun suhu - Temperatur yang lebih tinggi mengurangi tegangan sisa tetapi mengorbankan presisi
- Ukuran kolam leleh - Mempengaruhi struktur mikro dan properti lokal
- Bahan baku - Distribusi ukuran dan morfologi serbuk memengaruhi kepadatan dan hasil akhir permukaan
Dengan mengontrol parameter ini, Anda dapat menyesuaikan properti dan kualitas untuk aplikasi tertentu.
Pemrosesan Pasca untuk Suku Cadang EBM
Langkah-langkah pasca-pemrosesan bagian EBM yang umum meliputi:
- Penghapusan bubuk - Peledakan manik-manik untuk menghilangkan bubuk berlebih dari rongga internal
- Menghilangkan stres - Pengepresan isostatik panas dapat membantu mengurangi tegangan sisa
- Cut-off - EDM kawat untuk melepaskan bagian dari pelat bangunan
- Pemesinan - Penggilingan, pembubutan, pengeboran CNC untuk mencapai akurasi dimensi dan permukaan akhir
- Memoles - Untuk hasil akhir permukaan yang mengkilap pada bagian visual seperti perhiasan dan implan medis
- Pelapis - Menerapkan pelapis yang tahan aus, rendah gesekan, atau estetika
- Pengujian kualitas - Mengukur sifat mekanik, cacat internal, struktur mikro
Meminimalkan pasca-pemrosesan mengurangi biaya komponen secara keseluruhan. Namun, aplikasi yang kritis mungkin memerlukan penyelesaian yang ekstensif untuk memenuhi spesifikasi.
Kontrol Kualitas untuk EBM
Prosedur kontrol kualitas yang ketat untuk produksi EBM melibatkan:
- Inspeksi bahan baku - Analisis ayakan, pengujian laju aliran, dan mikroskop bubuk bahan baku
- Pemantauan dalam proses - Ukuran kolam leleh, suhu tempat tidur bubuk, tingkat vakum
- Pemeriksaan dimensi - CMM dan pemeriksaan metrologi lainnya terhadap dimensi kritis
- Pengujian mekanis - Tarik, kompresi, kekerasan mikro, ketangguhan patah, kelelahan
- Evaluasi non-destruktif - Tomografi terkomputasi sinar-X untuk memeriksa cacat internal
- Metalografi - Karakterisasi mikrostruktur menggunakan mikroskop optik dan elektron
- Analisis densitas - Metode Archimedes atau piknometri helium untuk memverifikasi ≥ 99,5% densitas
- Pengukuran kekasaran permukaan - Profilometri optik untuk mengukur tekstur permukaan
- Analisis kimia - ICP dan spektroskopi massa untuk memverifikasi komposisi
- Pembuatan validasi - Pembuatan uji untuk memverifikasi parameter proses untuk komponen baru
Pengujian komprehensif ini memverifikasi kualitas produk EBM untuk aplikasi industri yang ketat.
Pemodelan Biaya untuk EBM Additive Manufacturing
Total biaya tergantung pada:
- Biaya mesin - Investasi peralatan modal tinggi
- Biaya material - Biaya bahan baku bubuk/kg
- Biaya operasional - Tenaga kerja, energi, pemeliharaan, gas inert
- Pengolahan pasca - Pemesinan dan penyelesaian tambahan
- Membangun kecepatan - Pembangunan yang lebih cepat mengurangi biaya
- Tingkat pemanfaatan - Penggunaan alat berat yang lebih tinggi menyebarkan biaya ke lebih banyak bagian
- Rasio beli-ke-terbang - Bubuk yang tidak terpakai harus didaur ulang sehingga menambah biaya
- Bagian geometri - Komponen yang ringkas memaksimalkan penggunaan volume build
- Membangun volume - Mesin yang lebih besar memungkinkan hasil yang lebih tinggi
- Skala ekonomi - Produksi volume tinggi mengurangi biaya per bagian
Biaya menurun secara signifikan seiring dengan meningkatnya volume produksi dan kelebihan bubuk dapat digunakan kembali.
Memilih Vendor Manufaktur Aditif EBM
Kriteria untuk memilih penyedia layanan EBM:
- Instalasi sistem yang telah terbukti dan referensi pelanggan
- Beragam pengalaman aplikasi kedirgantaraan, medis, dan industri yang tersertifikasi
- Berbagai bahan berkualitas seperti titanium, inconel, kobalt chrome
- Sertifikasi sistem manajemen mutu - ISO 9001, AS9100
- Prosedur pengujian kontrol kualitas yang ketat
- Inventarisasi bubuk standar dan khusus
- Kemampuan pemesinan dan finishing in-house sekunder
- Dukungan desain dan membangun layanan simulasi
- Insinyur profesional dengan keahlian metalurgi
- Amplop bangunan besar untuk hasil yang tinggi
- Struktur harga yang kompetitif dikomunikasikan secara transparan
- Mampu mengelola ITAR dan proyek-proyek yang diatur lainnya
- Berlokasi dekat sehingga memungkinkan pertemuan dan kolaborasi secara langsung
Penyedia layanan yang sudah mapan dengan rekam jejak dalam industri yang diatur cenderung memenuhi ekspektasi kualitas yang ketat.
Pro dan Kontra EBM vs Metode AM Lainnya
Keuntungan dari EBM:
- Bagian logam yang sepenuhnya padat menyaingi sifat tempa
- Hasil akhir permukaan yang baik pada permukaan yang menghadap ke atas
- Laju pembuatan yang tinggi dibandingkan dengan proses laser
- Tegangan sisa yang rendah dibandingkan dengan fusi bedengan serbuk laser
- Sifat mekanik yang sangat baik dari komponen jadi
- Kontrol kolam leleh memungkinkan penyempurnaan struktur mikro
- Kondisi bangunan inert yang ideal untuk logam reaktif seperti titanium
- Hemat biaya untuk volume produksi menengah hingga tinggi
Kerugian dari EBM:
- Biaya peralatan yang lebih tinggi daripada sistem polimer
- Pilihan material yang terbatas dibandingkan dengan PBF laser
- Proses terkendali yang membutuhkan operator terlatih
- Pemrosesan pasca yang signifikan sering kali diperlukan
- Mengkonsumsi daya listrik dalam jumlah besar
- Ukuran komponen maksimum dibatasi oleh amplop build
- Penanganan dan daur ulang serbuk logam reaktif
- Akurasi profil yang lebih rendah daripada suku cadang mesin atau tempa
Untuk produksi komponen logam volume menengah hingga tinggi, EBM unggul dalam memberikan kekuatan dan kualitas tinggi dengan biaya yang wajar. Namun, dibutuhkan pengalaman untuk menguasai prosesnya.
Perbandingan EBM vs DMLS dan SLM
EBM vs DMLS:
| Parameter | EBM | DMLS |
|---|---|---|
| Sumber sinar | Berkas elektron | Laser serat |
| Atomsphere | Vakum | Gas inert |
| Bahan yang khas | Paduan titanium, tantalum, inconel | Baja tahan karat, krom kobalt, aluminium |
| Tingkat pembangunan | Tinggi | Sedang |
| Permukaan akhir | Sedang | Sangat tinggi |
| Biaya per bagian | Sedang | Tinggi |
| Ukuran bagian maksimal | Besar | Sedang |
EBM vs SLM:
| Parameter | EBM | SLM |
|---|---|---|
| Sumber sinar | Berkas elektron | Laser serat |
| Suasana | Vakum | Gas inert |
| Bahan yang khas | Titanium, tantalum, inconel | Paduan aluminium, baja, paduan nikel |
| Tegangan sisa | Rendah | Tinggi |
| Sifat mekanik | Luar biasa | Sangat bagus |
| Biaya per bagian | Sedang | Rendah |
| Akurasi | Sedang | Tinggi |
PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN
Bahan apa saja yang dapat diproses menggunakan teknologi EBM?
Bahan EBM yang paling umum adalah paduan titanium, paduan nikel seperti Inconel, kobalt krom, dan beberapa baja perkakas. Baru-baru ini, logam tahan api dan paduan aluminium juga diadopsi.
Berapa ketebalan lapisan yang dapat dicapai dengan sistem EBM?
Mesin EBM dapat menyimpan lapisan hingga setebal 50 mikron. Lapisan yang lebih tipis 25-35 mikron adalah tipikal untuk komponen kecil yang rumit, sementara 70-100 mikron digunakan untuk komponen yang lebih besar dan kasar.
Metode pasca-pemrosesan apa yang digunakan untuk komponen EBM?
Pasca-pemrosesan yang umum dilakukan meliputi penghilangan serbuk, penghilangan tegangan, pemotongan dari pelat, pemesinan, perawatan permukaan seperti penggilingan atau pemolesan, serta inspeksi dan pengujian.
Presisi dan hasil akhir permukaan seperti apa yang dapat dicapai dengan komponen EBM?
Akurasi dimensi sekitar ± 0,2% (± 0,5 mm per 25 cm) dapat dicapai, tetapi toleransi dapat ditingkatkan lebih lanjut melalui pemesinan pasca. Kekasaran permukaan as-built berkisar antara 10-50 μm Ra.
Bagaimana EBM dibandingkan dengan DMLS untuk aplikasi kedirgantaraan?
EBM dapat menyamai sifat material komponen titanium yang ditempa secara tradisional untuk aplikasi struktural. EBM memberikan tingkat pembuatan yang lebih tinggi daripada DMLS tetapi biasanya membutuhkan pasca-pemrosesan yang lebih ekstensif.