Gambaran umum tentang Peleburan Berkas Elektron
Electron beam melting (EBM) adalah proses manufaktur aditif yang menggunakan sumber daya berkas elektron untuk secara selektif melelehkan dan memadukan bahan serbuk logam lapis demi lapis untuk membangun komponen.
Beberapa detail utama tentang peleburan berkas elektron meliputi:
- Menggunakan pistol berkas elektron di bawah vakum untuk melelehkan bubuk.
- Pembentukan terjadi pada suhu tinggi, memungkinkan ikatan antar lapisan yang baik.
- Terutama digunakan untuk paduan Ti, Ni, Co, dan material berkinerja tinggi lainnya.
- Menyediakan komponen dengan kepadatan hampir penuh dengan sifat yang menyamai atau melebihi cara tradisional.
- Mendukung geometri kompleks yang tidak dapat dilakukan dengan fabrikasi konvensional.
- Umumnya digunakan dalam industri kedirgantaraan, medis, dan otomotif.
- Juga disebut sebagai fabrikasi aditif berkas elektron (EBAM) atau fabrikasi bentuk bebas berkas elektron (EBF3).
Peralatan leleh balok elektron
| Jenis | Deskripsi |
|---|---|
| Pistol berkas elektron | Menghasilkan dan memfokuskan sinar energi tinggi untuk melelehkan material. Komponen utama. |
| Tempat tidur bedak | Berisi lapisan bubuk yang disapu oleh pisau atau rol. Dibangun di atas platform yang dapat digerakkan. |
| Ruang vakum | Seluruh sistem berada dalam kondisi vakum selama pembuatan. Sangat penting untuk fokus sinar. |
| Sistem kontrol | Irisan perangkat lunak dan kontrol parameter build. Menyediakan pemantauan dan kontrol dalam proses. |
| Sistem penanganan | Untuk memuat/membongkar suku cadang dan mendaur ulang bubuk yang tidak terpakai. |
| Perisai | Pelindung timbal diperlukan di sekitar ruang akibat pembangkitan sinar-x. |
Bahan yang digunakan dalam Peleburan Berkas Elektron
| Bahan | Properti Utama | Aplikasi Khas |
|---|---|---|
| Paduan Titanium | Rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi, biokompatibilitas | Kedirgantaraan, implan medis |
| Paduan nikel | Ketahanan korosi, kekuatan tinggi | Turbin, komponen roket |
| Paduan kobalt-krom | Kekerasan, ketahanan aus/korosi | Implan medis, perkakas |
| Baja tahan karat | Daya tahan yang baik, pemrosesan lebih mudah | Perkakas industri, cetakan |
| Paduan aluminium | Berat badan rendah | Kedirgantaraan, otomotif |
| Logam mulia | Sangat lembam secara kimiawi | Perhiasan, medis |
EBM dapat memproses paduan berkinerja tinggi yang sulit dilakukan dengan proses berbasis laser karena intensitas daya.
Spesifikasi Proses EBM
| Parameter | Kisaran Khas |
|---|---|
| Kekuatan balok | 1-3 kW |
| Tegangan balok | 30-150 kV |
| Ukuran bangunan | Maksimal 200 x 200 x 350 mm |
| Tinggi lapisan | 50-200 μm |
| Membangun kecepatan | 5-100 cm3/jam |
| Ukuran balok | Diameter 0,1-1 mm |
| Tingkat vakum | 5 x 10-4 mbar |
| Fokus sinar | Ukuran titik 0,1-0,5 mm |
Sistem EBM memungkinkan penyesuaian parameter seperti daya sinar, kecepatan, fokus, dll. untuk menyetel bahan tertentu.
Pemasok Sistem EBM
| Pemasok | Detail Utama | Kisaran Harga Mulai |
|---|---|---|
| Pemasok 1 | Pelopor teknologi EBM. Basis terpasang terbesar. | $1.2-$1.5 juta |
| Pemasok 2 | Sistem untuk komponen yang lebih kecil. Kecepatan pemindaian yang lebih cepat. | $0.8-$1.2 juta |
| Pemasok 3 | Sistem penelitian. Kontrol parameter terbuka. | $0.5-$0.8 juta |
Biaya sistem bervariasi berdasarkan volume pembuatan, daya pancaran, aksesori yang disertakan dan kemampuan perangkat lunak.
Bagaimana Memilih Pemasok Sistem EBM
Saat memilih pemasok sistem EBM, faktor utama yang perlu dipertimbangkan meliputi:
- Keahlian teknis - Pemasok harus memiliki pengetahuan mendalam tentang fisika berkas elektron, metalurgi, dan pengalaman proses.
- Teknologi yang telah terbukti - Carilah pemasok yang sudah mapan dengan rekam jejak instalasi sistem yang sukses.
- Pengalaman aplikasi - Pemasok harus memahami kebutuhan aplikasi klien dan merekomendasikan spesifikasi sistem yang sesuai.
- Keandalan sistem - Pilih pemasok yang dikenal dalam bidang rekayasa sistem EBM yang tangguh dengan waktu kerja dan interval servis yang wajar.
- Perangkat lunak kontrol - Pemasok harus menawarkan perangkat lunak yang mudah digunakan untuk pemrograman, pemantauan, dan pengoptimalan rakitan.
- Dukungan teknis - Carilah teknisi dukungan yang responsif untuk memecahkan masalah dan membantu meningkatkan hasil proses.
- Pelatihan - Pemasok harus memberikan pelatihan komprehensif tentang pengoperasian, pemeliharaan, dan keselamatan peralatan.
- Peta jalan masa depan - Pilih pemasok yang berinvestasi dalam inovasi EBM yang sedang berlangsung untuk kebutuhan jangka panjang Anda.
Cara Mengoptimalkan Proses EBM
Untuk menghasilkan komponen cetak EBM berkualitas tinggi, ikuti praktik terbaik pengoptimalan proses berikut ini:
- Mulailah dengan bahan baku bubuk bulat dengan kemurnian tinggi yang disesuaikan untuk EBM. Penanganan, penyimpanan, dan penggunaan kembali bubuk juga sangat penting.
- Luangkan waktu untuk mengkalibrasi profil dan fokus berkas elektron. Pembentukan berkas dapat meningkatkan densitas lebih lanjut.
- Atur arus sinar dan kecepatan pemindaian yang optimal untuk peleburan yang stabil dan homogen.
- Sesuaikan fokus sinar secara dinamis selama pemotretan untuk memperhitungkan perubahan geometri.
- Atur suhu hot bed di atas 700°C untuk mengurangi tegangan sisa dan menghindari keretakan.
- Setel parameter secara terpisah untuk kontur vs. daerah palka untuk meningkatkan hasil akhir permukaan dan resolusi.
- Optimalkan struktur penyangga untuk meminimalkan sekaligus memberikan penahan dan pembuangan panas yang cukup.
- Perhatikan perbedaan parameter di antara berbagai bahan - pengaturan paduan titanium berbeda dari superalloy nikel, misalnya.
- Lakukan pendekatan empiris yang berulang - jalankan uji coba sambil memvariasikan parameter untuk menemukan titik terbaik.
Bagaimana Merancang Suku Cadang untuk EBM
Untuk berhasil mendesain komponen yang sesuai dengan proses EBM:
- Desain dinding yang lebih tebal dari 0,4 mm untuk memastikan peleburan penuh dan mencegah keretakan.
- Sertakan sudut angin 5-15° pada permukaan yang miring ke arah pembuatan untuk membantu menghilangkan serbuk.
- Meminimalkan overhang yang tidak ditopang untuk mengurangi kekenduran dan cacat pada permukaan yang menghadap ke bawah.
- Memadukan kisi-kisi dan saluran pendingin konformal yang dimungkinkan oleh kebebasan desain EBM.
- Konsolidasi sub-rakitan menjadi satu bagian untuk meningkatkan kualitas dan mengurangi langkah pemrosesan.
- Posisikan komponen dalam ruang rakitan untuk meminimalkan kebutuhan penyangga dan menghindari tabrakan saat menyapu.
- Mempertimbangkan kekuatan mekanis 20-50% yang lebih rendah secara horizontal vs vertikal karena konstruksi berbasis lapisan.
- Sediakan stok tambahan 0,5-1mm untuk pasca-pemrosesan, seperti pemesinan permukaan atau penggerindaan.
Bekerja sama dengan operator mesin EBM selama iterasi desain komponen untuk memanfaatkan pengetahuan proses mereka.
Cara Memproses Suku Cadang EBM Pasca-Pemrosesan
Langkah-langkah pasca-pemrosesan yang umum untuk komponen cetak EBM meliputi:
- Penghapusan dukungan - Lepaskan struktur penyangga dengan hati-hati, jika ada, dengan tangan atau menggunakan alat pemotong.
- Menghilangkan stres - Perlakukan panas pada suhu 600-800°C selama 1-3 jam untuk menghilangkan tegangan sisa.
- Pemesinan - Penggilingan, pembubutan, pengeboran CNC untuk meningkatkan akurasi dimensi dan hasil akhir permukaan.
- Penggilingan - Penggerindaan otomatis atau manual memberikan toleransi presisi dan hasil akhir yang lebih halus.
- Memoles - Menghasilkan permukaan akhir yang sangat baik, bebas dari partikel bubuk yang melekat.
- Pelapis - Menerapkan pelapis fungsional untuk kekerasan, ketahanan aus, isolasi listrik, dll.
- Pengepresan isostatik panas (HIP) - Menutup rongga internal dan lebih jauh meningkatkan kinerja kelelahan.
- Bergabung - Mengintegrasikan fitur seperti lubang ulir, pengencang, dll. dengan menggunakan teknik yang sesuai.
Suku cadang EBM pasca-proses menggunakan operator yang berkualifikasi dengan pengalaman menangani komposisi paduan tertentu.
Cara Memasang dan Mengintegrasikan EBM Bagian
Saat menyiapkan komponen cetak EBM untuk diintegrasikan ke dalam produk akhir:
- Bersihkan permukaan secara menyeluruh untuk menghilangkan bedak dan oksidasi. Pembersihan yang tepat akan meningkatkan ikatan.
- Terapkan lapisan pelindung sesuai kebutuhan - anodisasi keras, pelapisan, pengecatan, dll. untuk meningkatkan perlindungan terhadap korosi dan keausan.
- Perhitungkan perbedaan ekspansi termal saat menyambungkan komponen EBM ke komponen logam lainnya untuk menghindari tekanan.
- Pilih teknik penyambungan yang sesuai untuk bahan - pengelasan, pengikatan mekanis, perekat, dll.
- Gunakan manajemen termal - pemanasan awal dan laju pendinginan yang terkendali - saat mengelas atau mematri.
- Validasi fungsionalitas perakitan di bawah beban operasi dan lingkungan menggunakan pembuatan prototipe dan pengujian.
- Periksa cacat menggunakan teknik seperti x-ray, UT, pengujian penetran - sangat penting untuk aplikasi dengan tanggung jawab tinggi.
Bekerja berdampingan dengan desainer dan insinyur saat mengintegrasikan komponen EBM untuk memastikan kinerja yang kuat dan dioptimalkan dalam perakitan akhir.
Mengoperasikan dan Memelihara Printer EBM
Untuk mempertahankan pengoperasian printer EBM yang optimal dan mencegah waktu henti:
- Lakukan perawatan pencegahan terjadwal sesuai panduan pemasok - ganti komponen yang aus seperti pelindung.
- Periksa akurasi x-y-z sinar secara teratur dengan menggunakan metode kalibrasi. Setel ulang jika perlu.
- Periksa komponen sistem vakum utama - segel pemeriksa kebocoran, pompa monitor, ganti filter secara berkala.
- Mengkalibrasi sensor pemantauan proses terintegrasi pada interval yang ditentukan.
- Pantau kualitas vakum secara terus menerus - kenali dan perbaiki kebocoran dengan segera.
- Ikuti prosedur pembersihan yang direkomendasikan - jaga kebersihan ruang rakitan dan sistem penanganan serbuk.
- Hanya izinkan teknisi yang berkualifikasi untuk memperbaiki catu daya dan pistol tegangan tinggi.
- Selalu sediakan suku cadang seperti pelindung, pompa, filter untuk meminimalkan waktu henti.
Jadwalkan penghentian pemeliharaan selama periode volume rendah. Memantau kesehatan sistem EBM secara proaktif di antara pembangunan.
Pro dan Kontra dari Peleburan Berkas Elektron
Peleburan berkas elektron memiliki keunggulan dan keterbatasan dibandingkan dengan metode manufaktur konvensional:
Keuntungan
- Membuat geometri kompleks yang tidak mungkin dilakukan dengan cara lain.
- Mengkonsolidasikan sub-rakitan menjadi satu bagian.
- Mengurangi limbah - hanya menggunakan bahan yang diperlukan.
- Mempersingkat waktu pengembangan untuk desain baru.
- Properti yang sama atau melebihi cara tradisional seperti pengecoran.
- Tidak memerlukan pengikat atau penyangga ekstra - menghasilkan bahan yang lebih murni.
Kekurangan
- Biaya per bagian yang lebih tinggi pada volume produksi yang rendah.
- Batasan ukuran berdasarkan ruang rakitan.
- Pemilihan material terbatas dibandingkan dengan proses AM lainnya.
- Pasca-pemrosesan sering kali diperlukan untuk menghasilkan bagian akhir.
- Sifat anisotropik karena konstruksi berbasis lapisan.
- Membutuhkan input daya yang signifikan untuk berkas elektron.
Ketika mempertimbangkan EBM versus metode konvensional, pertimbangkan jumlah, ukuran, properti, waktu tunggu, dan biaya. EBM unggul untuk komponen logam yang kompleks dan berkinerja tinggi tetapi dengan biaya penyiapan yang lebih tinggi.
PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN
T: Bahan apa saja yang dapat Anda proses dengan EBM?
J: Terutama titanium, nikel, kobalt, dan paduan baja tahan karat hingga saat ini. Penelitian memperluas pilihan material termasuk aluminium, baja perkakas, emas, tantalum, dan banyak lagi.
T: Apa perbedaan utama antara EBM dan peleburan laser selektif (SLM)?
J: EBM menggunakan sumber energi berkas elektron sedangkan SLM menggunakan laser. Kepadatan daya sinar yang lebih tinggi yang dapat dicapai dengan EBM memungkinkan pemrosesan lebih banyak logam tahan api.
T: Industri apa saja yang menggunakan pencetakan EBM?
J: Aerospace adalah pengadopsi terbesar hingga saat ini untuk komponen seperti bilah turbin. Namun, sektor medis, otomotif, dan industri juga merupakan pengguna EBM yang terus berkembang.
T: Apakah EBM menghasilkan komponen berpori atau sepenuhnya padat?
J: EBM dapat mencapai densitas lebih dari 99% dengan parameter yang optimal. Temperatur tinggi meningkatkan ikatan difusi antar lapisan.
T: Berapa ukuran komponen yang dapat Anda buat dengan EBM?
J: Ukuran maksimum dibatasi oleh selubung rakitan, biasanya sekitar 250 x 250 x 300 mm. Sistem yang lebih besar sedang dikembangkan dengan menargetkan kubus berukuran 500 mm.
T: Seberapa akuratkah EBM dibandingkan dengan pemesinan CNC?
J: EBM dapat mencapai toleransi hingga 0,1-0,3 mm apabila dikalibrasi dengan baik. Tetapi, pemesinan diperlukan untuk mencapai toleransi yang lebih ketat di bawah 0,05 mm.
T: Apa saja manfaat utama dari EBM?
J: Kebebasan desain, konsolidasi komponen, pembuatan prototipe yang cepat, paduan berkekuatan tinggi, pengurangan limbah, dan waktu tunggu yang singkat dibandingkan fabrikasi tradisional.
T: Tindakan pencegahan keamanan apa yang diperlukan untuk EBM?
J: Sistem EBM menghasilkan radiasi sinar-x sehingga pelindung timbal yang memadai pada ruang rakitan sangat penting. Hanya personel terlatih yang boleh mengoperasikannya.