Peleburan berkas elektron (EBM) adalah teknologi manufaktur aditif yang biasa digunakan untuk pencetakan 3D logam. EBM menggunakan sinar elektron yang kuat sebagai sumber panas untuk secara selektif melelehkan dan memadukan serbuk logam lapis demi lapis untuk membangun bagian yang sangat padat secara langsung dari data CAD.
Dibandingkan dengan metode pencetakan 3D logam lainnya seperti proses berbasis laser, EBM menawarkan beberapa keunggulan unik dalam hal kecepatan pembuatan, sifat material, kualitas, dan efektivitas biaya. Namun demikian, metode ini juga memiliki beberapa keterbatasan dalam resolusi, permukaan akhir, dan opsi material.
Panduan ini memberikan gambaran umum yang mendetail mengenai teknologi peleburan berkas elektron, termasuk:
- Bagaimana EBM bekerja
- Jenis peralatan dan komponen utama
- Bahan dan aplikasi
- Pertimbangan desain
- Parameter proses
- Keuntungan dan keterbatasan
- Perbandingan pemasok
- Pedoman pengoperasian
- Analisis biaya
- Memilih sistem EBM yang tepat
Cara Kerja Peleburan Berkas Elektron
Proses EBM berlangsung di ruang vakum tinggi yang diisi dengan gas argon inert. Serbuk logam disebarkan dalam lapisan tipis di atas platform rakitan dengan menggunakan penggaruk. Berkas elektron dari senapan elektron digunakan untuk melelehkan dan memadukan secara selektif setiap lapisan bubuk sesuai dengan data irisan dari model CAD.
Platform pembangunan diturunkan secara bertahap dengan setiap lapisan baru. Komponen dibuat langsung di atas platform tanpa memerlukan struktur pendukung karena sifat fusi unggun serbuk yang tidak bergantung pada geometri. Setelah selesai, bubuk berlebih dihilangkan untuk memperlihatkan bagian cetakan 3D yang solid.
Kepadatan energi yang tinggi dari berkas elektron menghasilkan peleburan dan pemadatan yang cepat, sehingga memungkinkan tingkat pembangunan yang tinggi. Proses EBM berlangsung pada suhu tinggi hingga 1000°C, yang mengurangi tegangan sisa dan distorsi.
Komponen yang dicetak dengan EBM mencapai densitas lebih dari 99%, dengan sifat material yang sebanding atau lebih unggul daripada manufaktur tradisional.
Jenis dan Komponen Peralatan EBM
Sistem EBM terdiri dari komponen utama berikut ini:
Pistol elektron - menghasilkan sinar terfokus dari elektron berenergi tinggi
Kontrol balok - elektromagnet memandu dan membelokkan berkas elektron
Catu daya tegangan tinggi - mempercepat elektron hingga 60kV
Ruang vakum - menyediakan lingkungan vakum tinggi
Pengeluaran bubuk - mengendapkan dan menyebarkan lapisan bubuk logam
Kaset/kopling bubuk - menyimpan dan mengirimkan bubuk
Membangun platform - menurunkan secara progresif saat lapisan dibangun
Kumparan pemanas - memanaskan tempat tidur bubuk hingga 1000 ° C
Konsol kontrol - komputer dan perangkat lunak untuk mengoperasikan sistem
Ada beberapa variasi mesin EBM komersial:
| Sistem EBM | Bangun Amplop | Kekuatan Balok | Ketebalan Lapisan |
|---|---|---|---|
| Arcam A2X | 200 x 200 x 380 mm | 3kW | 50-200 mikron |
| Arcam Q10plus | 350 x 350 x 380 mm | 5.4kW | 50-200 mikron |
| Arcam Q20plus | 500 x 500 x 400 mm | 7kW | 50-200 mikron |
| Arcam Spectra L | 275 x 275 x 380 mm | 1kW | 50-200 mikron |
| Sciaky EBAM | 1500 x 1500 x 1200 mm | 15-60kW | 200 mikron |
Envelope build yang lebih besar dan daya sinar yang lebih tinggi memungkinkan build yang lebih cepat, komponen yang lebih besar, dan produktivitas yang lebih tinggi. Mesin yang lebih kecil cenderung memiliki resolusi dan permukaan yang lebih halus.
Bahan dan Aplikasi EBM
Bahan yang paling umum digunakan dalam EBM adalah:
- Paduan titanium seperti Ti-6Al-4V
- Superalloy berbasis nikel seperti Inconel 718, Inconel 625
- Paduan kobalt-krom
- Baja perkakas seperti H13, baja marinir
- Paduan aluminium
- Paduan tembaga
- Baja tahan karat seperti 17-4PH, 316L
Aplikasi utama EBM meliputi:
- Dirgantara - bilah turbin, impeler, braket struktural
- Medis - implan ortopedi, prostetik
- Otomotif - komponen motor sport, perkakas
- Industri - bagian penanganan fluida, penukar panas
- Perkakas - cetakan injeksi, die casting, cetakan ekstrusi
Manfaat EBM untuk aplikasi ini meliputi:
- Kekuatan tinggi dan ketahanan lelah
- Geometri kompleks dengan kisi dan saluran internal
- Waktu tunggu yang singkat untuk komponen logam
- Konsolidasi rakitan menjadi satu bagian
- Optimalisasi bobot dan desain yang ringan
- Kustomisasi dan personalisasi bagian
Pertimbangan Desain EBM
EBM memberlakukan beberapa pembatasan desain:
- Ketebalan dinding minimum 0,8-1mm untuk mencegah keruntuhan
- Tidak ada undercut atau overhang horizontal
- 45° maksimal overhang yang tidak didukung
- Buka saluran internal berdiameter minimum 1mm
- Fitur halus terbatas pada resolusi 0,5-1mm
Desain harus menghindari gradien termal yang curam untuk meminimalkan tegangan sisa:
- Ketebalan dinding yang seragam
- Transisi bertahap dalam ketebalan bagian
- Penyangga interior dan kisi-kisi untuk volume besar
Pasca-pemrosesan seperti pemesinan, pengeboran dan pemolesan dapat meningkatkan hasil akhir permukaan.
Parameter Proses EBM
Parameter proses EBM utama:
- Berkas elektron - Arus sinar, fokus, kecepatan, pola
- Bedak - Bahan, ketebalan lapisan, ukuran partikel
- Suhu - Panaskan, bangun suhu, strategi pemindaian
- Kecepatan - Jarak titik, kecepatan kontur, kecepatan penetasan
Parameter ini mengontrol properti seperti densitas, presisi, permukaan akhir, struktur mikro:
| Parameter | Kisaran Khas | Efek pada Properti Bagian |
|---|---|---|
| Arus Balok | 5-40mA | Masukan energi, ukuran kolam leleh |
| Kecepatan Sinar | 104-107 mm/s | Kepadatan energi, laju pendinginan |
| Ketebalan Lapisan | 50-200μm | Resolusi, kekasaran permukaan |
| Bangun Suhu | 650-1000°C | Tegangan sisa, distorsi |
| Kecepatan Pindai | 500-10.000 mm/s | Permukaan akhir, porositas |
| Pola Pindai | Papan catur, searah | Anisotropi, kepadatan |
Penyetelan yang tepat dari parameter ini diperlukan untuk mencapai sifat dan akurasi material yang optimal untuk setiap paduan.
Keuntungan dari Peleburan Berkas Elektron
Manfaat utama dari EBM meliputi:
- Laju pembangunan yang tinggi - hingga 80 cm3/jam
- Bagian yang sangat padat - mencapai kepadatan lebih dari 99%
- Sifat mekanik yang sangat baik - kekuatan, kekerasan, ketahanan lelah
- Akurasi dan pengulangan yang tinggi - presisi ±0,2 mm
- Dukungan minimal yang dibutuhkan - mengurangi pasca-pemrosesan
- Suhu tinggi yang dibangun - mengurangi tegangan sisa
- Kontaminasi rendah - lingkungan vakum dengan kemurnian tinggi
Kecepatan pemindaian yang cepat menghasilkan siklus peleburan dan pemadatan yang cepat, sehingga menciptakan struktur mikro berbutir halus. Metode pembangunan berlapis-lapis menghasilkan komponen yang sebanding dengan sifat tempa.
Keterbatasan Peleburan Berkas Elektron
Kelemahan dari EBM meliputi:
- Resolusi terbatas - ukuran fitur minimum ~ 0.8mm
- Hasil akhir permukaan yang kasar - efek tangga, membutuhkan penyelesaian akhir
- Material yang dibatasi - terutama paduan Ti, paduan Ni, CoCr saat ini
- Biaya peralatan yang tinggi - $350.000 hingga $1 juta+ untuk mesin
- Waktu pemanasan yang lambat - 1-2 jam untuk mencapai suhu awal
- Risiko kontaminasi - zirkonium dapat mencemari paduan reaktif
- Manajemen serbuk - daur ulang, penanganan serbuk halus
- Persyaratan garis pandang - overhang horizontal tidak memungkinkan
Pola pembentukan berlapis anisotropik dan efek "anak tangga" dari lapisan serbuk yang disinter, menciptakan lurik yang terlihat pada permukaan yang menghadap ke atas. Berkas elektron hanya dapat memadukan bahan dalam garis pandang langsung.
Pemasok Mesin EBM
Produsen peralatan EBM utama meliputi:
| Pemasok | Model | Bahan | Kekuatan Balok | Kisaran Harga |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM (GE) | A2X, Q10plus, Q20plus | Paduan Ti, Ni, CoCr | 3-7kW | $350,000-$800,000 |
| Sciaky | Seri EBAM 300, 500 | Ti, Al, Inconel, baja | 15-60kW | $500.000-$1,5 juta |
| slaM | slm280 | Al, Ti, CoCr, baja perkakas | 5kW | $500,000-800,000 |
| JEOL | JEM-ARM200F | Paduan Ni, baja, Ti | 3kW | $700,000-900,000 |
Sistem EBM Arcam memiliki kemampuan material terluas sementara Sciaky menawarkan solusi produksi skala besar. SLM Solutions dan JEOL juga menyediakan teknologi EBM yang berfokus pada logam.
Mengoperasikan Sistem EBM
Untuk mengoperasikan mesin EBM:
- Pasang peralatan EBM dengan daya, pendingin, gas inert, dan ventilasi pembuangan yang tepat.
- Memuat data CAD dan memasukkan parameter build ke dalam perangkat lunak EBM
- Saring dan masukkan bubuk logam ke dalam kaset
- Tempat tidur bubuk pra-panas untuk memproses suhu
- Mengkalibrasi fokus dan daya berkas elektron
- Mulai membangun berlapis-lapis saat sinar memindai dan melelehkan bubuk
- Biarkan komponen mendingin secara perlahan sebelum dikeluarkan dari mesin
- Bersihkan bedak berlebih menggunakan pembersih vakum
- Memotong bagian dari pelat build dan melakukan pasca-pemrosesan
Penanganan dan penyimpanan bubuk yang tepat sangat penting untuk menghindari kontaminasi yang dapat menyebabkan cacat. Pemeliharaan rutin filamen sinar, filter bubuk, dan sistem vakum juga penting.
Analisis Biaya Pemrosesan EBM
Faktor biaya untuk produksi EBM:
- Penyusutan mesin - ~ 15-20% dari total biaya suku cadang
- Tenaga kerja - pengoperasian mesin, pasca-pemrosesan
- Bedak - $100-500 / kg untuk paduan titanium
- Daya - penggunaan listrik yang tinggi selama pembangunan
- Argon - konsumsi gas pembersih harian
- Pemeliharaan - sumber sinar, sistem vakum, penggaruk
- Pengolahan pasca - penghapusan dukungan, finishing permukaan
Skala ekonomis dapat dicapai dengan menumpuk komponen yang lebih kecil dalam satu kali pembuatan. Mesin yang lebih besar menghasilkan komponen lebih cepat dan lebih hemat biaya. Biaya sistem di muka yang tinggi tersebar di lebih banyak bagian.
Untuk produksi bervolume rendah, mengalihdayakan ke biro jasa meminimalkan biaya overhead peralatan.
Bagaimana Memilih Sistem EBM
Pertimbangan utama untuk memilih mesin EBM:
- Bangun amplop - cocok dengan persyaratan ukuran bagian
- Presisi - ukuran fitur minimum dan kebutuhan permukaan akhir
- Bahan - paduan yang diperlukan untuk aplikasi
- Throughput - target volume produksi harian/bulanan
- Persyaratan daya - kapasitas pasokan listrik yang tersedia
- Perangkat lunak - kemudahan penggunaan, fleksibilitas, format data
- Pengolahan pasca - waktu dan biaya penyelesaian
- Pelatihan dan dukungan - pemasangan, pengoperasian, pemeliharaan
- Total biaya - harga sistem, biaya operasional, bubuk
Melakukan uji coba komponen sampel pada sistem EBM yang berbeda untuk menilai kualitas dan keekonomisan komponen yang sebenarnya.
Berinvestasi pada amplop bangunan terbesar yang sesuai dengan anggaran dan batasan ruang untuk memungkinkan perluasan di masa depan. Bermitra dengan pemasok terkemuka yang dapat memberikan dukungan teknis berkelanjutan.
PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN
T: Seberapa akuratkah EBM?
J: Akurasi dimensi dan toleransi ±0,2 mm adalah tipikal untuk komponen EBM. Fitur halus hingga 0,3 mm dimungkinkan.
T: Bahan apa saja yang dapat digunakan dalam EBM selain logam?
J: EBM terbatas pada paduan logam konduktif. Fotopolimer dan keramik saat ini tidak dapat diproses karena sumber energi berkas elektron.
T: Apakah EBM memerlukan dukungan apa pun?
J: EBM tidak memerlukan struktur penyangga untuk overhang kurang dari 45° karena sifat fusi unggun serbuk yang tidak bergantung pada geometri. Penyangga internal minimal dapat membantu untuk bagian berongga yang besar.
T: Apa yang dimaksud dengan permukaan akhir?
J: Komponen EBM bawaan memiliki permukaan yang relatif kasar akibat lapisan serbuk dan jalur pemindaian. Berbagai jumlah pemesinan, penggerindaan atau pemolesan diperlukan untuk meningkatkan hasil akhir permukaan.
T: Seberapa mahal harga EBM dibandingkan dengan proses pencetakan 3D lainnya?
J: Peralatan EBM memiliki biaya di muka yang lebih tinggi, yaitu $350.000 hingga lebih dari $1 juta. Tetapi kecepatan pembuatan yang tinggi dapat mengimbangi hal ini dengan mengurangi biaya komponen dalam skala besar. Biaya proses per bagian kompetitif dengan metode pencetakan 3D logam lainnya.
T: Apakah diperlukan pasca-pemrosesan pada komponen EBM?
J: Sebagian besar suku cadang EBM akan memerlukan beberapa pemrosesan pasca seperti pemotongan dari pelat rakitan, penghilang stres, pemesinan permukaan, pengeboran lubang, penggilingan atau pemolesan untuk mencapai hasil akhir, toleransi, dan penampilan suku cadang. Sentuhan manual minimal mungkin diperlukan untuk mematahkan tepi yang tajam atau mengurangi kekasaran.