Visión general de equipo de fusión por haz de electrones Tecnología
El equipo de fusión por haz de electrones es una tecnología de fabricación aditiva que se utiliza para fusionar polvos metálicos capa por capa utilizando un haz de electrones de alta potencia en un entorno de vacío. Los equipos de fusión por haz de electrones ofrecen capacidades inigualables por otros métodos de impresión 3D de metales en términos de velocidad de fabricación, densidad de las piezas, tensión residual y propiedades mecánicas.
Entre los atributos clave de la tecnología de fusión por haz de electrones se incluyen:
Tabla 1: Características de la fusión por haz de electrones
| Atributo | Detalles |
|---|---|
| Fuente de calor | Haz de electrones de alta potencia |
| Medio ambiente | Alto vacío |
| Materia prima | Lecho de polvo metálico |
| Control del haz | Lentes electromagnéticas/bobinas de deflexión |
| Modo Construcción | Fusión de metales capa por capa |
| Aplicaciones | Aeroespacial, médico, automoción, herramientas |
Las máquinas EBM permiten fundir rápidamente materiales conductores para obtener componentes totalmente densos con propiedades equivalentes o superiores a las de los métodos de fabricación tradicionales.
El entorno de vacío controlado y el suministro inteligente de energía minimizan los problemas de oxidación o contaminación durante el procesamiento. Esto facilita densidades muy altas y una excelente integridad estructural, perfectas para aplicaciones críticas.
Al aprovechar la gran potencia del haz para obtener velocidades de escaneado rápidas en cada capa, la EBM permite velocidades de fabricación extremadamente rápidas, inalcanzables con sistemas basados en láser. Esta ventaja en productividad es un factor clave para la adopción de la tecnología.
Tipos de equipo de fusión por haz de electrones Sistemas
En el mercado existen varias categorías de equipos de EBM que ofrecen distintos tamaños de envolvente, niveles de potencia del haz y capacidades de producción adaptadas a diferentes aplicaciones.
Tabla 2: Tipos de equipos de fusión por haz de electrones
| Clase de máquinas | Tamaño del edificio | Potencia del haz | Usos típicos |
|---|---|---|---|
| Sobres pequeños | 150x150x150mm | 3-4 kW | Dispositivos médicos y dentales. |
| Plataformas estándar | 200 x 200 x 350 mm | 6-8 kW | Componentes aeroespaciales, utillaje |
| Plataformas de gama media | 400 x 400 x 400 mm | 14-16 kW | Piezas de automóviles y aeronaves de gran tamaño |
| Sobres grandes | 800 x 800 x 500 mm | 30-60 kW | Soportes estructurales, álabes de turbina |
Los equipos de mayor tamaño facilitan componentes más grandes para industrias como la aeroespacial y la de automoción, con el fin de reducir el número de piezas de montaje. Las máquinas más pequeñas y de menor potencia están destinadas a aplicaciones de alto valor en los sectores médico y dental.
La mayoría de los fabricantes de sistemas de EBM ofrecen arquitecturas de máquinas modulares para ampliar la capacidad, la potencia de los haces y el volumen de fabricación a medida que avanzan los requisitos de adopción y aplicación de los clientes.
Fundamentos de la tecnología de fusión por haz de electrones
Los subsistemas principales y los pasos de procesamiento que intervienen en la fabricación aditiva por haz de electrones incluyen:
Cuadro 3: Resumen de los fundamentos de la fusión por haz de electrones
| Escenario | Función | Componentes clave |
|---|---|---|
| 1. Manipulación del polvo | Alimentar nuevas capas de material | Polvorines y rastrillos |
| 2. Generación de haces | Crear/acelerar haz de electrones | Cátodo de filamento de tungsteno, tensión anódica |
| 3. Enfoque del haz | Haz convergente electromagnético | Lentes de bobina magnética |
| 4. Desviación | Localización directa del haz enfocado | Bobinas de desviación |
| 5. 5. Sistema de vacío | Garantizar un entorno libre de contaminantes | Bombas de difusión, válvulas, sensores |
| 6. 6. Sistema de control | Coordinar y supervisar todas las funciones | Ordenador, software, sensores |
Una máquina de EBM requiere el funcionamiento integrado de estos subsistemas para fabricar eficazmente piezas capa a capa a partir de polvo metálico:
- La desviación del haz a alta velocidad dirige las regiones fundidas con precisión a través de cada capa del lecho de polvo
- El vacío elimina la contaminación gaseosa evitando la oxidación/nitruración del material
- Los rastrillos de polvo esparcen eficazmente el material fresco asegurando la densidad
- Los sensores de bucle cerrado proporcionan retroalimentación que garantiza la precisión dimensional
- Los robustos controles informáticos coordinan todos los aspectos del proceso de fabricación
La combinación única de un consumible de polvo de metal puro con una fuente de energía de alta intensidad dentro de una cámara de vacío permite una fusión y solidificación muy rápidas para obtener propiedades metalúrgicas excepcionales.
Comprender estos principios fundamentales ayuda a los compradores a seleccionar equipos optimizados para sus objetivos, ya sea maximizar la productividad, la calidad de las piezas, los costes operativos o los requisitos de la aplicación.
Especificaciones de las máquinas de fusión por haz de electrones
Existen numerosas especificaciones de rendimiento que los compradores deben tener en cuenta a la hora de seleccionar el equipo de EBM que mejor se adapte a sus necesidades de producción y condiciones de funcionamiento.
Tabla 4: Especificaciones de los principales equipos de fusión por haz de electrones
| Parámetro | Alcance típico | Importancia |
|---|---|---|
| potencia del haz | 3-60 kW | Velocidad de fabricación, tamaño máximo de pieza |
| Velocidad del haz | Hasta 8 m/s | Tiempos de capa, productividad |
| Tamaño del punto | 50-200 μm | Resolución, definición precisa de las características |
| Actual | 1-50 mA | Compatibilidad de materiales, optimización de haces |
| Tensión de aceleración | 30-150 kilovoltios | Profundidad de penetración, polvo no fundido |
| Nivel de vacío | 5 x 10-5 mbar | Pureza, integridad material |
| Espesor de la capa de polvo | 50-200 μm | Resolución vertical, densidad |
Conocer especificaciones como la potencia del haz, la velocidad de escaneado, el tamaño del punto y el grosor mínimo de la capa permite seleccionar la máquina adecuada para la aplicación prevista y los objetivos de rendimiento.
Otros factores vitales que influyen en la selección del sistema son:
- Software de control: Funciones para una configuración eficaz de la fabricación, herramientas de optimización para el desarrollo de parámetros, funciones de supervisión/análisis y compatibilidad con flujos de trabajo digitales CAD/CAM posteriores.
- Paleta de materiales: El número de materiales cualificados disponibles en el OEM determina la gama de aplicaciones accesibles al equipo. Entre los metales prioritarios se encuentran el titanio, las superaleaciones de níquel, los aceros para herramientas, el acero inoxidable, el cromo-cobalto y el aluminio.
- Equipos auxiliares: Requisitos de las herramientas suplementarias de manipulación del polvo, estaciones de postprocesado, herramientas de tamizado, tratamiento térmico externo, hornos HIP y sistemas de reciclado del polvo.
- Servicios: Valor de los contratos de mantenimiento, asistencia para la optimización de aplicaciones, servicios de formación de operadores y disposiciones para el traslado de equipos.
Una evaluación minuciosa de las especificaciones de las máquinas con respecto a las demandas de producción actuales y futuras facilita la toma de decisiones de inversión adecuadas en capacidad de EBM.
Visión general de la economía del proceso de fusión por haz de electrones
Aparte de los costes puros de adquisición de equipos, las empresas de fabricación necesitan proyecciones realistas de la economía de producción completa asociada a la puesta en línea de la tecnología EBM.
Cuadro 5: Resumen de los aspectos económicos de la transformación de EBM
| Elemento de coste | Alcance típico |
|---|---|
| Adquisición de máquinas | $800.000 a $2.500.000 |
| Instalación | $50.000 a $250.000 |
| Infraestructura de las instalaciones | $100.000 a $500.000 |
| Equipos auxiliares para polvo | $50.000 a $150.000 |
| Materiales anuales | $100.000 a $800.000 |
| Piezas consumibles | $20.000 a $100.000 |
| Trabajo operativo | De 1 a 3 operadores por sistema |
| Consumo de energía | $15.000 a $50.000 |
| Contratos de mantenimiento | $50.000 a $150.000 |
Los precios de las máquinas oscilan entre los 1.400.000 euros de los sistemas de arranque y los 2.500.000 euros de las grandes soluciones industriales, por lo que los equipos representan sólo una parte de la ecuación de inversión global.
Otras variables clave que influyen en los cálculos de la rentabilidad de explotación y el rendimiento de la inversión abarcan:
- Uso de materiales: El polvo es hasta 30% de pila de coste total de la pieza, optimizar las estrategias de compra:fabricación y los ratios de reutilización.
- Trabajo: La manipulación manual o automatizada de polvos y piezas influye en las necesidades de personal. Busque la optimización de la fabricación para maximizar los tiempos de ejecución desatendida.
- Instalaciones: Los gastos de instalación, energía, control medioambiental y equipos auxiliares se acumulan. Hay que tener en cuenta los costes de seguridad, servicios públicos y cumplimiento de la normativa.
- Mantenimiento: El mantenimiento preventivo es crucial para el tiempo de actividad, la calidad de la producción y la longevidad de los equipos. Evalúe las opciones de servicio OEM frente a las internas.
El análisis de estos factores de coste antes de adquirir capacidad de EBM facilita una planificación empresarial realista. La modelización de escenarios de producción de piezas a partir de datos de rendimiento reales mejora la visibilidad de los riesgos financieros y las perspectivas de rentabilidad.
Materiales populares para la fusión por haz de electrones
La alta intensidad del haz y el entorno de vacío hacen que la EBM sea adecuada para procesar aleaciones reactivas y refractarias difíciles de fundir con otros métodos aditivos o procesos de fundición.
Tabla 6: Materiales más utilizados en la fusión por haz de electrones
| Clase de material | Ejemplos de aleaciones | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Aleaciones de titanio | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | Estructuras aeroespaciales |
| Superaleaciones de níquel | Inconel 718, Inconel 625 | Álabes de turbina, sistemas de escape |
| Aceros para herramientas | H13, Maraging 300 | Moldes de inyección, utillaje |
| Cromo cobalto | CoCrMo | Implantes médicos/dentales |
| Aceros inoxidables | 17-4PH, 316L | Se necesita resistencia a la corrosión |
| Aleaciones exóticas y personalizadas | Cu, Al, Ta, W, Mo | Electrónica, investigación |
Los materiales más populares para EBM siguen siendo las aleaciones de titanio para componentes aeroespaciales ligeros, las superaleaciones de níquel para resistencia a temperaturas extremas y el cromo-cobalto de grado médico para implantes biocompatibles.
Sin embargo, la flexibilidad de la fusión en lecho de polvo admite prácticamente cualquier sistema de aleación, incluidos elementos reactivos como el aluminio o metales refractarios que plantean problemas de fusión con los métodos tradicionales. Esto facilita la innovación en áreas como la gestión térmica de la electrónica, los componentes de espectroscopia y las aplicaciones de alta temperatura por encima de los 1.000 °C.
Gracias al entorno de procesamiento al vacío que mitiga los problemas de contaminación, la calidad y la integridad del material se comparan muy favorablemente con los procesos AM o de fundición de la competencia.
Ventajas de la tecnología de fusión por haz de electrones
Además de facilitar velocidades de producción muy elevadas, inigualables por otras tecnologías de lecho de polvo, la EBM ofrece ventajas adicionales que la convierten en el proceso preferido para aplicaciones críticas en los sectores aeroespacial, médico e industrial.
Cuadro 7: Principales ventajas de la fusión por haz de electrones
| Beneficio | Descripción |
|---|---|
| Alta densidad | Se acerca al 100% gracias a la alta energía del haz y al vacío |
| Propiedades excepcionales de los materiales | Mejor que la fundición o el forjado |
| Altas tasas de deposición | Velocidad de construcción 10 veces superior a la de los sistemas basados en láser |
| Baja tensión residual | 70-90% menos distorsión o agrietamiento |
| Libertad de diseño | Facilitación de geometrías complejas |
| Comprar:personalizar | Combine varias piezas en un conjunto complejo |
Entre los ejemplos concretos en los que la EBM aporta valor frente a la fabricación convencional se encuentran:
Productividad
- Producción de álabes de turbina de Inconel 718 a un ritmo 10 veces superior al de las técnicas de fundición de precisión.
- Fabricación simultánea de más de 10 implantes de cadera debido a los mayores volúmenes de fabricación.
- Aprovechamiento de la manipulación automatizada de polvos y la puesta en cola de trabajos para una producción 24 horas al día, 7 días a la semana.
Rendimiento
- Creación de soportes satélite de Ti-6Al-4V con una relación resistencia-peso superior.
- Ofrecemos puentes dentales de cromo cobalto con un acabado estético y una precisión superiores.
- Fabricación de utillaje H13 con refrigeración conformada que prolonga la vida útil del molde de inyección.
Calidad
- Conseguir microestructuras de material más limpias y completamente libres de los defectos de microporosidad habituales en la fundición.
- Garantizar cero tensiones internas y distorsión gracias a las altas temperaturas de precalentamiento.
- Prevención de la contaminación en materiales reactivos aprovechando el entorno de alto vacío.
Las exclusivas condiciones de fusión facilitadas por la tecnología de haz de electrones demuestran una y otra vez ser la principal solución de AM para aplicaciones de alto valor que requieren un rendimiento excepcional de los materiales.
Popular Equipo EBM Proveedores
Diversas organizaciones industriales consolidadas y empresas emergentes especializadas ofrecen soluciones de fusión por haz de electrones que responden a los diferentes obstáculos de adopción de los clientes en todos los segmentos del mercado.
Cuadro 8: Principales proveedores de equipos de fusión por haz de electrones
| Proveedor | Detalles | Segmentos objetivo |
|---|---|---|
| Arcam EBM (aditivo GE) | Pionera en la primera máquina EBM | Aeroespacial, médica, automoción |
| sciaky | Envolventes de construcción más grandes | Estructuras aeroespaciales |
| JEOL | Plataformas de investigación | Universidades |
| Aditivo Wayland | Sistemas presupuestarios | Tiendas de empleo |
| 6K | Polvos metálicos de bajo coste | Desarrollo de procesos |
Otros fabricantes de equipos que se centran en aplicaciones de haces de electrones fuera de la fabricación aditiva tradicional son:
- Canon - Soluciones de soldadura por haz de electrones
- PTR Group - Hornos y soldadoras de haz de electrones
- IBE Services - Pequeñas soldadoras por haz de electrones
- Teta - Soldadura industrial EB de alta potencia
El líder del sector Arcam EBM (ahora parte de GE Additive) estableció la posición dominante en patentes y cuota de mercado tras introducir la primera máquina comercial de EBM en 2002. Siguen siendo el principal proveedor de equipos para los sectores aeroespacial, de dispositivos médicos, automoción e industrial.
La mayoría de los proveedores colaboran con productores de materiales, grupos de investigación y organizaciones de usuarios finales para mejorar continuamente las capacidades de los procesos de EBM en función de las demandas reales de producción. En última instancia, estos esfuerzos de mejora tecnológica en colaboración ampliarán la adopción en aplicaciones industriales aún más críticas en el futuro.
PREGUNTAS FRECUENTES
P: ¿Qué tamaño de instalaciones se necesita para albergar equipos de EBM?
R: La superficie mínima es de unos 100 pies cuadrados para las máquinas más pequeñas, pero las plataformas más grandes que ocupan más de 500 pies cuadrados son habituales. Otros 500 pies cuadrados son típicos para las estaciones suplementarias de manipulación de polvo y post-procesamiento. Las instalaciones requieren techos de al menos 8 pies y refuerzos para cargas de equipos pesados que superen las 12.000 libras.
P: ¿Qué materiales son incompatibles con el procesamiento EBM?
R: Las aleaciones de aluminio presentan riesgos de oxidación sin entornos inertes adecuados. Los metales refractarios con temperaturas de fusión muy elevadas, superiores a 3600 °C, como el wolframio o el renio, siguen siendo inadecuados. Por lo demás, el EBM se adapta a la mayoría de los sistemas de aleación.
P: ¿Cuántos operarios formados se necesitan por máquina de EBM?
R: Normalmente, un operario de máquina puede supervisar varias máquinas de EBM en función del nivel de automatización y de los volúmenes de producción. Se necesita personal adicional para las operaciones con polvo, el postprocesado, las actividades de calidad, el mantenimiento y el soporte de ingeniería.
P: ¿Qué riesgos de seguridad conlleva la tecnología EBM?
R: Los haces de electrones de alta tensión plantean riesgos de arco eléctrico que exigen la instalación de armarios y controles de seguridad adecuados. Los riesgos de exposición al polvo metálico reactivo también requieren equipos de protección y protocolos de manipulación para los peligros de incendio y para la salud. La formación adecuada es fundamental.
