Manufaktur aditif berkas elektron (EBAM) adalah proses pencetakan 3D logam yang menggunakan sumber energi berkas elektron untuk memadukan bahan. Panduan ini membahas sistem, proses, bahan, aplikasi, manfaat, dan pertimbangan EBAM untuk mengadopsi teknologi ini.
Pengantar Manufaktur Aditif Berkas Elektron
Electron beam additive manufacturing (EBAM) adalah jenis pencetakan 3D logam yang menggunakan berkas elektron berdaya tinggi sebagai sumber energi untuk memadukan bahan baku logam menjadi bagian yang sepenuhnya padat lapis demi lapis secara langsung dari data CAD.
Atribut-atribut utama dari teknologi EBAM:
- Menggunakan sumber daya berkas elektron untuk melelehkan material
- Membangun komponen dengan menambahkan bubuk logam lapis demi lapis
- Menciptakan bagian yang hampir berbentuk jaring dengan kepadatan tinggi
- Bahan yang umum digunakan adalah titanium, paduan nikel, baja
- Volume pembuatan yang lebih besar daripada proses AM logam lainnya
- Laju deposisi yang tinggi untuk pembuatan yang lebih cepat
- Akurasi bagian rata-rata ± 0,3 mm
- Tegangan sisa yang rendah dibandingkan dengan proses laser
- Ideal untuk komponen logam yang besar dan kompleks
- Mengurangi pemborosan dibandingkan teknik subtraktif
EBAM memungkinkan desain inovatif yang tidak mungkin dilakukan dengan manufaktur konvensional. Namun, seperti halnya proses aditif lainnya, ada pertimbangan desain dan aplikasi yang berbeda.
Bagaimana Manufaktur Aditif Berkas Elektron Bekerja
Proses EBAM terdiri dari:
- Menyimpan dan meratakan lapisan tipis serbuk logam
- Memindai berkas elektron untuk melelehkan area secara selektif
- Menurunkan pelat bangunan dan mengulangi pelapisan/peleburan
- Penghapusan bagian yang sudah selesai dari tempat tidur bubuk
- Pasca-pemrosesan sesuai kebutuhan
Pistol berkas elektron menghasilkan berkas terfokus dalam kondisi vakum. Daya sinar, kecepatan, pola, dan parameter lainnya dikontrol secara tepat untuk memadukan material.
Sistem EBAM memerlukan ruang vakum, penanganan bubuk, senapan elektron, kontrol, dan subsistem lainnya.
Produsen Peralatan EBAM
Pemasok global terkemuka untuk sistem EBAM industri meliputi:
| Produsen | Model | Ukuran Bangun | Bahan | Kisaran Harga |
|---|---|---|---|---|
| Aditif GE | Arcam EBM Spektrum H | 1000 x 600 x 500 mm | Ti, Ni, CoCr, Al, Cu, Baja | $1.5M - $2M |
| Sciaky | EBAM 300 | 1830 x 1220 x 910 mm | Ti, Inconel, tahan karat | $1.5M - $3M |
| Velo3D | Safir | 680 x 380 x 380 mm | Ti, Inconel | $1M - $2M |
| Dimensi Nano | DragonFly LDM | 330 x 330 x 330 mm | Tembaga | $0.5M - $1M |
Pemilihan sistem tergantung pada kebutuhan produksi, bahan, persyaratan akurasi, dan anggaran. Bermitra dengan penyedia layanan yang berpengalaman adalah alternatif untuk membeli peralatan secara langsung.
Karakteristik Proses EBAM
EBAM melibatkan interaksi termal, mekanis, dan material yang kompleks. Karakteristik proses utama meliputi:
Berkas Elektron - Daya, diameter sinar, arus, kecepatan pemindaian, fokus
Bedak - Bahan, bentuk, distribusi ukuran, ketebalan lapisan
Vakum - Tingkat tekanan yang diperlukan, kotoran gas
Suhu - Pemanasan awal, dinamika kolam lelehan, laju pendinginan
Metadata - Membangun pelat, sistem penggaruk, pelindung
Strategi Pemindaian - Pola kolam leleh, osilasi sinar
Pengolahan pasca - Perlakuan panas, HIP, permesinan, finishing
Memahami hubungan antar parameter sangat penting untuk mencapai suku cadang EBAM berkualitas tinggi.
Panduan Desain EBAM
Praktik desain komponen EBAM yang tepat meliputi:
- Desain dengan mempertimbangkan prinsip-prinsip manufaktur aditif
- Gunakan dinding tipis dan struktur kisi-kisi untuk mengurangi berat badan
- Meminimalkan overhang yang tidak didukung yang membutuhkan penyangga
- Arahkan komponen untuk menghindari tekanan yang menyebabkan lengkungan
- Mempertimbangkan efek penyusutan termal dalam fitur
- Desain geometri untuk memudahkan penghilangan bubuk
- Permukaan insinyur untuk fungsionalitas daripada penampilan
- Mengakomodasi ketebalan dinding minimum dan ukuran fitur
- Memungkinkan stok pasca-pemrosesan pada permukaan
- Mensimulasikan rakitan dan efek termal untuk komponen yang kompleks
- Desain fiksasi dan antarmuka untuk menghilangkan bedengan bubuk
Alat simulasi dan pemodelan membantu memprediksi tegangan sisa dan deformasi.
Material EBAM
Berbagai logam dapat diproses dengan manufaktur aditif berkas elektron:
| Kategori | Paduan Umum |
|---|---|
| Titanium | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Titanium Murni Komersial |
| Nikel Superalloys | Inconel 718, Inconel 625, Haynes 282 |
| Baja tahan karat | 304, 316, 17-4PH, 15-5PH |
| Baja Perkakas | H13, Baja Perkawinan |
| Aluminium | AlSi10Mg, Scalmalloy |
| Logam Mulia | Emas, Platinum |
| Tembaga | CuCrZr, Cu, Paduan Nikel Tembaga |
| Kobalt Chrome | CoCrMo, Stellite |
Sifat material sangat bergantung pada parameter proses EBAM dan pasca perawatan.
Aplikasi EBAM Utama
EBAM memungkinkan peningkatan kinerja di seluruh industri:
| Industri | Aplikasi EBAM yang Umum |
|---|---|
| Dirgantara | Struktur pesawat, turbin, perangkat keras peluncuran |
| Pembangkit Listrik | Komponen jalur gas panas, rumah |
| Minyak & Gas | Katup, pompa, kompresor, perkakas |
| Otomotif | Bagian yang lebih ringan, penukar panas |
| Medis | Implan ortopedi, instrumen bedah |
| Kelautan | Baling-baling, baling-baling, coran yang rumit |
| Bahan kimia | Penukar panas, pengaduk, bejana tekan |
Manfaat dibandingkan manufaktur konvensional meliputi:
- Mengurangi limbah dari rasio beli-ke-terbang sebesar 1:1
- Waktu tunggu yang lebih singkat dari proses digital
- Rakitan gabungan menjadi bagian tunggal
- Geometri khusus yang tidak cocok untuk pemesinan
- Peningkatan kinerja dari struktur yang kompleks
- Volume produksi yang dapat diskalakan setelah memenuhi syarat
EBAM menciptakan peluang untuk desain produk generasi berikutnya yang tidak dapat dilakukan dengan cara lain.
Pro dan Kontra dari EBAM
Keuntungan:
- Bagian logam besar yang kompleks dalam satu bagian
- Komponen yang kuat dan ringan dari desain kisi-kisi
- Menghilangkan kebutuhan akan cetakan atau perkakas yang mahal
- Mengurangi limbah material dibandingkan dengan teknik subtraktif
- Laju pembuatan yang relatif cepat dibandingkan dengan proses AM lainnya
- Hemat biaya pada volume menengah 100-10.000 unit
- Metalurgi yang konsisten dari pemadatan yang cepat
- Menggabungkan rakitan menjadi satu bagian
- Produksi sesuai permintaan dan desain yang dapat disesuaikan
- Kebebasan geometri di luar batasan pemesinan
Keterbatasan:
- Biaya peralatan lebih tinggi daripada pencetakan 3D polimer
- Dibatasi untuk bahan yang kompatibel dengan vakum
- Akurasi dan hasil akhir permukaan yang lebih rendah daripada pemesinan
- Pasca-pemrosesan sering kali diperlukan untuk mendapatkan properti
- Produksi bubuk bekas yang membutuhkan daur ulang
- Pengembangan proses dan uji coba yang diperlukan
- Pertimbangan fasilitas untuk kebutuhan daya tinggi
- Tekanan termal dapat menyebabkan distorsi bagian
- Batasan pada overhang dan fitur minimum
- Keterbatasan ukuran dari amplop ruang build
Jika sesuai dengan kebutuhan aplikasi, EBAM memungkinkan peningkatan produk bernilai tinggi.
Menerapkan Teknologi EBAM
Pertimbangan utama ketika mengadopsi EBAM meliputi:
- Mengidentifikasi aplikasi di mana kemampuan EBAM memberikan keuntungan
- Menganggarkan investasi modal yang signifikan untuk sistem EBAM
- Mengembangkan protokol dan standar kualifikasi yang ketat
- Memahami persyaratan peraturan untuk aplikasi penggunaan akhir
- Mempekerjakan personel dengan keahlian powder bed atau bermitra dengan penyedia layanan
- Mengalokasikan waktu dan sumber daya untuk uji coba dan pengoptimalan proses
- Menerapkan prosedur penanganan bubuk dan ventilasi
- Menyediakan infrastruktur fasilitas dan kemampuan daya yang sesuai
- Penganggaran untuk pemrosesan sekunder seperti perlakuan panas
- Melakukan pengujian mekanis untuk memvalidasi properti
Aplikasi yang paling cocok untuk uji coba awal adalah aplikasi yang tidak terlalu kritis dan berisiko lebih rendah.
Penghematan Biaya dengan EBAM
Kasus bisnis untuk EBAM tergantung pada:
- Biaya peralatan tinggi sekitar $1 juta hingga $3 juta
- Tenaga kerja untuk pengembangan proses dan produksi
- Biaya bahan bubuk logam mentah
- Operasi penyelesaian sekunder
- Fasilitas, infrastruktur penanganan bubuk
- Mengurangi limbah relatif terhadap proses subtraktif
- Menggabungkan sub-rakitan menjadi satu bagian
- Jadwal pengembangan yang lebih pendek daripada teknik konvensional
- Menjadi ekonomis pada volume sekitar 100-10.000 bagian
- Penghematan tertinggi untuk nilai tambah geometri yang kompleks
Produsen harus mengimbangi biaya peralatan AM yang lebih tinggi dengan manfaat produksi.
EBAM Dibandingkan dengan Proses Lainnya
| Proses | Perbandingan dengan EBAM |
|---|---|
| Mesin CNC | EBAM memungkinkan geometri kompleks yang tidak dapat dikerjakan melalui proses subtraktif. Tidak memerlukan perkakas yang keras. |
| Cetakan Injeksi Logam | EBAM menghilangkan biaya perkakas yang tinggi. Sifat material yang lebih baik daripada MIM. |
| Die Casting | EBAM memiliki biaya perkakas yang lebih rendah. Tidak ada batasan ukuran. Geometri yang sangat kompleks dapat dicapai. |
| Laminasi Lembar | EBAM menciptakan material isotropik yang sangat padat dibandingkan dengan komposit laminasi. |
| Pengaliran Pengikat | EBAM menghasilkan komponen akhir yang sepenuhnya padat dibandingkan dengan komponen hijau yang disemprotkan pengikat berpori. |
| SLM | SLM memiliki resolusi yang lebih baik sementara EBAM memiliki kecepatan pembuatan yang lebih cepat. Keduanya menghasilkan bagian logam yang padat. |
Setiap proses menawarkan keunggulan spesifik berdasarkan aplikasi, ukuran batch, kebutuhan akurasi, dan persyaratan kinerja.
Prospek Masa Depan untuk EBAM
Masa depan cerah untuk adopsi EBAM yang lebih luas yang didorong oleh:
- Jangkauan yang lebih luas dari paduan tingkat produksi
- Amplop bangunan yang lebih besar memungkinkan bagian yang lebih besar
- Laju pembuatan yang lebih cepat untuk meningkatkan hasil
- Hasil akhir dan akurasi dimensi yang lebih baik
- Penurunan biaya seiring dengan semakin matangnya teknologi
- Otomatisasi lebih lanjut dari pemrosesan pra/pasca
- Sistem hibrida yang mengintegrasikan pemesinan
- Sistem pemantauan dalam proses yang canggih
- Kualifikasi untuk industri yang menuntut seperti kedirgantaraan
- Optimalisasi desain dengan memanfaatkan kemampuan EBAM
Seiring dengan kemajuan teknologi, EBAM akan mentransformasi manufaktur di berbagai industri.
PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN
Bahan apa yang digunakan dalam EBAM?
Titanium, paduan nikel, baja perkakas, baja tahan karat, paduan aluminium, dan logam mulia dapat diproses.
Bagaimana akurasi dan hasil akhir komponen EBAM?
Akurasi dimensi ± 0,3 mm adalah tipikal, dengan kekasaran permukaan sekitar 25-125μm Ra as-built.
Pasca-pemrosesan apa yang digunakan untuk suku cadang EBAM?
Perlakuan panas, HIP, dan pemesinan dapat digunakan. Pelapisan semprotan plasma juga umum dilakukan.
Seberapa besar bagian yang dapat diproduksi EBAM?
Volume rakitan yang umum berkisar dari 500mm x 500mm x 500mm hingga 2m x 1m x 1m untuk sistem yang besar.
Apa saja manfaatnya dibandingkan metode subtraktif?
EBAM menghasilkan komponen yang mendekati bentuk bersih dengan limbah yang berkurang dan mengkonsolidasikan rakitan menjadi satu komponen kompleks.
Industri apa saja yang menggunakan EBAM?
Sektor kedirgantaraan, energi, otomotif, minyak dan gas, serta medis merupakan pengguna awal EBAM.
Keahlian apa yang dibutuhkan untuk mengoperasikan peralatan EBAM?
Diperlukan teknisi terampil yang berpengalaman dalam proses powder bed, metalurgi, dan pasca-pemrosesan.
Tindakan pencegahan keselamatan apa yang diperlukan?
Ventilasi, peralatan pemantauan, peralatan pelindung personel, dan penanganan bubuk yang aman sangat penting.
Bagaimana biaya dibandingkan dengan manufaktur konvensional?
EBAM menjadi efektif secara biaya di sekitar produksi volume menengah antara 100-10.000 unit untuk desain yang kompleks.
Dapatkah Anda menjelaskan secara singkat proses EBAM?
EBAM menyimpan serbuk logam dalam beberapa lapisan yang kemudian dilelehkan oleh berkas elektron secara selektif lapis demi lapis berdasarkan data CAD untuk membangun sebuah komponen.
