Vue d'ensemble équipement de fusion par faisceau d'électrons Technologie
L'équipement de fusion par faisceau d'électrons est une technologie de fabrication additive utilisée pour fusionner des poudres métalliques couche par couche à l'aide d'un faisceau d'électrons de grande puissance dans un environnement sous vide. L'équipement de fusion par faisceau d'électrons offre des capacités inégalées par les autres méthodes d'impression 3D de métaux en termes de vitesse de fabrication, de densité des pièces, de contraintes résiduelles et de propriétés mécaniques.
Les principales caractéristiques de la technologie de fusion par faisceau d'électrons sont les suivantes :
Tableau 1 : Aperçu des caractéristiques de la fusion par faisceau d'électrons
| Attribut | Détails |
|---|---|
| Source de chaleur | Faisceau d'électrons de haute puissance |
| Environnement | Vide poussé |
| Matières premières | Lit de poudre métallique |
| Contrôle du faisceau | Lentilles électromagnétiques / bobines de déviation |
| Mode construction | Fusion métallique couche par couche |
| Applications | Aérospatiale, médecine, automobile, outillage |
Les machines EBM permettent de faire fondre rapidement des matériaux conducteurs pour obtenir des composants entièrement denses dont les propriétés sont équivalentes ou supérieures à celles des méthodes de fabrication traditionnelles.
L'environnement sous vide contrôlé et la distribution intelligente d'énergie minimisent les problèmes d'oxydation ou de contamination pendant le traitement. Cela permet d'obtenir des densités très élevées et une excellente intégrité structurelle, parfaite pour les applications critiques.
En tirant parti de la puissance élevée du faisceau pour des taux de balayage rapides à travers chaque couche, l'EBM permet des vitesses de construction extrêmement rapides, impossibles à atteindre avec des systèmes à base de laser. Cet avantage en termes de productivité est un facteur clé de l'adoption de la technologie.
Types de équipement de fusion par faisceau d'électrons Systèmes
Il existe sur le marché plusieurs catégories d'équipements EBM offrant différentes tailles d'enveloppe de construction, différents niveaux de puissance de faisceau et différentes capacités de production adaptées à différentes applications.
Tableau 2 : Types d'équipements de fusion par faisceau d'électrons
| Classe de machine | Taille du bâtiment | Puissance du faisceau | Utilisations typiques |
|---|---|---|---|
| Petites enveloppes | 150 x 150 x 150 mm | 3-4 kW | Dispositifs dentaires et médicaux |
| Plateformes standard | 200 x 200 x 350 mm | 6-8 kW | Composants aérospatiaux, outillage |
| Plateformes de milieu de gamme | 400 x 400 x 400 mm | 14-16 kW | Pièces automobiles, pièces d'avion de plus grande taille |
| Grandes enveloppes | 800 x 800 x 500 mm | 30-60 kW | Supports structurels, pales de turbines |
Les équipements de plus grande taille facilitent l'utilisation de composants plus volumineux dans des secteurs tels que l'aérospatiale et l'automobile, afin de réduire le nombre de pièces d'assemblage. Les machines plus petites et moins puissantes sont destinées à des applications de grande valeur dans les secteurs médical et dentaire.
La plupart des constructeurs de systèmes EBM proposent des architectures de machines modulaires permettant d'augmenter la capacité, la puissance du faisceau et le volume de construction en fonction de l'adoption par les clients et de l'évolution des exigences des applications.
Principes de base de la technologie de fusion par faisceau d'électrons
Les principaux sous-systèmes et étapes de traitement impliqués dans la fabrication additive par faisceau d'électrons sont les suivants :
Tableau 3 : Aperçu des principes fondamentaux de la fusion par faisceau d'électrons
| Stade | Fonction | Composants clés |
|---|---|---|
| 1. Manipulation des poudres | Alimenter de nouvelles couches de matériel | Trémies et râteaux à poudre |
| 2. Génération de faisceaux | Créer/accélérer un faisceau d'électrons | Cathode du filament de tungstène, tension anodique |
| 3. Focalisation du faisceau | Electromagnétique faisceau convergent | Lentilles à bobine magnétique |
| 4. Déviation | Emplacement du faisceau focalisé direct | Bobines de déviation |
| 5. Système de vide | Garantir un environnement exempt de contaminants | Pompes de diffusion, valves, capteurs |
| 6. Système de contrôle | Coordonner et contrôler toutes les fonctions | Ordinateur, logiciel, capteurs |
Une machine EBM nécessite le fonctionnement intégré de ces sous-systèmes pour fabriquer efficacement des pièces couche par couche à partir de poudre métallique :
- La déflexion du faisceau à grande vitesse dirige les régions en fusion avec précision à travers chaque couche du lit de poudre.
- Le vide élimine la contamination gazeuse et empêche l'oxydation/nitrification des matériaux.
- Les râteaux à poudre répandent efficacement le matériau frais en garantissant la densité.
- Des capteurs en boucle fermée fournissent un retour d'information garantissant la précision des dimensions
- Des commandes informatiques robustes coordonnent chaque aspect du processus de construction.
La combinaison unique d'une poudre de métal pur consommable avec une source d'énergie de haute intensité dans une chambre à vide permet une fusion et une solidification très rapides pour des propriétés métallurgiques exceptionnelles.
La compréhension de ces principes fondamentaux aide les acheteurs à sélectionner des équipements optimisés pour leurs objectifs, qu'il s'agisse de maximiser la productivité, la qualité des pièces, les coûts d'exploitation ou les exigences de l'application.
Spécifications des machines de fusion par faisceau d'électrons
Les acheteurs doivent prendre en compte de nombreuses spécifications de performance lorsqu'ils choisissent l'équipement EBM qui correspond le mieux à leurs besoins de production et à leurs conditions d'exploitation.
Tableau 4 : Principales spécifications de l'équipement de fusion par faisceau d'électrons
| Paramètres | Gamme typique | Importance |
|---|---|---|
| Puissance du faisceau | 3-60 kW | Taux de construction, taille maximale des pièces |
| Vitesse du faisceau | Jusqu'à 8 m/s | Temps de pose, productivité |
| Taille du spot | 50-200 μm | Résolution, définition fine des caractéristiques |
| Actuel | 1-50 mA | Compatibilité des matériaux, optimisation des faisceaux |
| Tension accélératrice | 30-150kV | Profondeur de pénétration, poudre non fondue |
| Niveau de vide | 5 x 10-5 mbar | Pureté, intégrité des matériaux |
| Épaisseur de la couche de poudre | 50-200 μm | Résolution verticale, densité |
La compréhension des spécifications telles que la puissance du faisceau, la vitesse de balayage, la taille du spot et l'épaisseur minimale de la couche permet de sélectionner une machine adaptée à l'application prévue et aux objectifs de rendement.
D'autres facteurs essentiels influencent la sélection du système :
- Logiciel de contrôle : Capacités de configuration efficace de la construction, outils d'optimisation pour le développement des paramètres, fonctions de surveillance et d'analyse, et compatibilité avec les flux de travail numériques de CAO/FAO en aval.
- Palette de matériaux : Le nombre de matériaux qualifiés disponibles auprès de l'équipementier détermine la gamme d'applications accessibles à l'équipement. Les choix de métaux prioritaires comprennent le titane, les superalliages de nickel, les aciers à outils, l'acier inoxydable, le chrome cobalt et l'aluminium.
- Matériel auxiliaire : Exigences relatives aux outils supplémentaires de manutention des poudres, aux stations de post-traitement, aux outils de tamisage, au traitement thermique externe, aux fours HIP et aux systèmes de recyclage des poudres.
- Services : Valeur des contrats de maintenance, de l'assistance à l'optimisation des applications, des services de formation des opérateurs et des dispositions relatives à la relocalisation des équipements.
Une évaluation minutieuse des spécifications des machines par rapport aux demandes de production actuelles et futures facilite les décisions d'investissement appropriées dans la capacité EBM.
Vue d'ensemble de l'économie du processus de fusion par faisceau d'électrons
Outre les coûts d'acquisition des équipements, les entreprises manufacturières ont besoin de projections réalistes de l'ensemble des aspects économiques de la production liés à la mise en œuvre de la technologie EBM.
Tableau 5 : Résumé des aspects économiques du traitement des EBM
| Élément de coût | Gamme typique |
|---|---|
| Acquisition de machines | $800 000 à $2 500 000 |
| Installation | $50,000 à $250,000 |
| Infrastructure des installations | $100 000 à $500 000 |
| Équipement auxiliaire pour les poudres | $50,000 à $150,000 |
| Matériel annuel | $100 000 à $800 000 |
| Pièces consommables | $20 000 à $100 000 |
| Travail d'exploitation | 1 à 3 opérateurs par système |
| Consommation d'énergie | $15,000 à $50,000 |
| Contrats de maintenance | $50,000 à $150,000 |
Avec des prix de machines allant d'environ $800 000 pour les systèmes de démarrage à $2 500 000 pour les grandes solutions industrielles, l'équipement ne représente qu'une partie de l'équation globale de l'investissement.
Les autres variables clés qui influencent la rentabilité des opérations et le calcul du retour sur investissement sont les suivantes :
- Utilisation des matériaux : La poudre peut représenter jusqu'à 30% du coût total des pièces, optimiser les stratégies d'achat et de fabrication et les ratios de réutilisation.
- Travail : La manipulation manuelle ou automatisée des poudres et des pièces a un impact sur les besoins en personnel. Poursuivre l'optimisation de la fabrication afin de maximiser les temps d'exécution sans surveillance.
- Installation : Les dépenses liées à l'installation, à l'énergie, au contrôle de l'environnement et aux équipements auxiliaires s'additionnent. Il faut également tenir compte des coûts liés à la sécurité, aux services publics et à la conformité.
- Entretien : L'entretien préventif est crucial pour le temps de fonctionnement, la qualité de la production et la longévité de l'équipement. Comparez les options de service des équipementiers à celles des services internes.
L'analyse de ces facteurs de coût avant l'acquisition d'une capacité EBM facilite la planification réaliste des activités. La modélisation des scénarios de production de pièces à l'aide de données de performance réelles améliore la visibilité des risques financiers et des perspectives de rentabilité.
Matériaux populaires pour la fusion par faisceau d'électrons
L'intensité élevée du faisceau et l'environnement sous vide permettent à l'EBM de traiter des alliages réactifs et réfractaires difficiles à fondre avec d'autres méthodes additives ou procédés de coulée.
Tableau 6 : Matériaux couramment utilisés pour la fusion par faisceau d'électrons
| Classe de matériaux | Exemples d'alliages | Applications |
|---|---|---|
| Alliages de titane | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | Structures aérospatiales |
| Superalliages de nickel | Inconel 718, Inconel 625 | Aubes de turbines, systèmes d'échappement |
| Aciers à outils | H13, Maraging 300 | Moules d'injection, outillage |
| Chrome cobalt | CoCrMo | Implants médicaux/dentaires |
| Aciers inoxydables | 17-4PH, 316L | Résistance à la corrosion nécessaire |
| Alliages exotiques et personnalisés | Cu, Al, Ta, W, Mo | Électronique, recherche |
Les matériaux les plus populaires pour l'EBM restent les alliages de titane pour les composants aérospatiaux légers, les superalliages de nickel pour la résistance aux températures extrêmes et le chrome-cobalt de qualité médicale pour les implants biocompatibles.
Cependant, la flexibilité de la fusion sur lit de poudre permet d'accommoder pratiquement n'importe quel système d'alliage, y compris les éléments réactifs comme l'aluminium ou les métaux réfractaires qui posent des problèmes de fusion avec les méthodes traditionnelles. Cela facilite l'innovation dans des domaines tels que la gestion thermique de l'électronique, les composants de spectroscopie et les applications à haute température supérieures à 1 000 °C.
Grâce à l'environnement de traitement sous vide qui atténue les problèmes de contamination, la qualité et l'intégrité des matériaux se comparent très favorablement aux procédés concurrents d'AM ou de moulage.
Avantages de la technologie de fusion par faisceau d'électrons
Outre la facilitation de taux de fabrication très élevés, inégalés par les autres technologies de lit de poudre, l'EBM offre d'autres avantages qui en font le procédé de choix pour les applications critiques dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine et de l'industrie.
Tableau 7 : Principaux avantages de la fusion par faisceau d'électrons
| Bénéfice | Description |
|---|---|
| Haute densité | Approche du 100% grâce à l'énergie élevée du faisceau et au vide |
| Propriétés exceptionnelles des matériaux | Améliorée par rapport à la fonte ou à la forge |
| Taux de dépôt élevés | Des vitesses de construction jusqu'à 10 fois plus rapides que les systèmes à base de laser |
| Faible contrainte résiduelle | 70-90% moins de distorsions ou de fissures |
| Liberté de conception | Facilitation de la géométrie complexe |
| Acheter : personnaliser | Combiner plusieurs pièces en un assemblage complexe |
Voici quelques exemples spécifiques où l'EBM apporte une valeur ajoutée par rapport à la fabrication conventionnelle :
Productivité
- Production d'aubes de turbine en Inconel 718 à un rythme dix fois supérieur à celui des techniques de moulage de précision.
- Fabrication simultanée de plus de 10 implants de hanche en raison de volumes de fabrication plus importants.
- L'automatisation de la manutention des poudres et des files d'attente permet d'assurer une production 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sans interruption.
Performance
- Création de supports satellites en Ti-6Al-4V avec un rapport résistance/poids supérieur.
- Proposer des bridges dentaires en chrome cobalt avec une finition esthétique et une précision supérieures.
- Fabrication d'un outillage H13 avec refroidissement conforme permettant d'allonger la durée de vie des moules d'injection.
Qualité
- Obtenir des microstructures de matériaux plus propres et totalement exemptes de défauts de microporosité, fréquents dans le domaine du moulage.
- Garantir l'absence de contraintes internes et de distorsions grâce à des températures de préchauffage élevées.
- Prévenir la contamination des matériaux réactifs en tirant parti de l'environnement sous vide poussé.
Les conditions de fusion uniques facilitées par la technologie du faisceau d'électrons prouvent à maintes reprises qu'il s'agit de la meilleure solution d'AM pour les applications de grande valeur nécessitant des performances matérielles exceptionnelles.
Populaire Equipement EBM Fournisseurs
Un grand nombre d'organisations industrielles établies et de start-ups spécialisées proposent des solutions de fusion par faisceau d'électrons qui répondent aux différents obstacles à l'adoption par les clients dans tous les segments du marché.
Tableau 8 : Principaux fournisseurs d'équipements de fusion par faisceau d'électrons
| Fournisseur | Détails | Segments cibles |
|---|---|---|
| Arcam EBM (additif GE) | Pionnier de la première machine EBM | Aérospatiale, médecine, automobile |
| Sciaky | Les plus grandes enveloppes de construction | Structures aérospatiales |
| JEOL | Plates-formes de niveau recherche | Universités |
| Wayland Additive | Systèmes budgétaires | Job shops |
| 6K | Poudres métalliques à faible coût | Développement des processus |
Parmi les autres fabricants d'équipements ciblant les applications du faisceau d'électrons en dehors de la fabrication additive traditionnelle, on peut citer
- Canon - Solutions de soudage par faisceau d'électrons
- Groupe PTR - Fours et soudeurs à faisceau d'électrons
- IBE Services - Petites soudeuses à faisceau d'électrons
- Teta - Soudage EB industriel à haute puissance
Le leader du secteur, Arcam EBM (qui fait maintenant partie de GE Additive), a établi une position dominante en termes de brevets et de parts de marché après avoir introduit la première machine EBM commerciale en 2002. Il reste le premier fournisseur d'équipements dans les secteurs de l'aérospatiale, des appareils médicaux, de l'automobile et de l'industrie.
La plupart des fournisseurs s'appuient sur des partenariats avec des producteurs de matériaux, des groupes de recherche et des organisations d'utilisateurs finaux pour améliorer en permanence les capacités des processus EBM en fonction des demandes de production réelles. Ces efforts de collaboration en matière d'amélioration de la technologie permettront à terme d'étendre l'adoption à un nombre encore plus important d'applications industrielles critiques.
FAQ
Q : Quelle est la taille de l'installation nécessaire pour accueillir l'équipement EBM ?
R : L'espace minimum au sol est d'environ 100 m² pour les petites machines, mais les plates-formes plus grandes occupant plus de 500 m² sont courantes. Les stations supplémentaires de manutention des poudres et de post-traitement occupent généralement une surface supplémentaire de plus de 500 m². Les installations requièrent des plafonds d'au moins 1,80 m et un renforcement pour les équipements lourds dont la charge dépasse 12 000 livres.
Q : Quels sont les matériaux incompatibles avec le traitement EBM ?
R : Les alliages d'aluminium présentent des risques d'oxydation en l'absence d'environnements inertes appropriés. Les métaux réfractaires dont la température de fusion est supérieure à 3600°C, comme le tungstène ou le rhénium, ne conviennent pas. Sinon, l'EBM convient à la plupart des systèmes d'alliage.
Q : Combien d'opérateurs formés sont nécessaires par machine EBM ?
R : Un opérateur de machine peut généralement superviser plusieurs machines EBM en fonction du niveau d'automatisation et des volumes de production. Du personnel supplémentaire est nécessaire pour les opérations sur les poudres, le post-traitement, les activités de qualité, la maintenance et l'assistance technique.
Q : Quels sont les risques de sécurité associés à la technologie EBM ?
R : Les faisceaux d'électrons à haute tension présentent des risques d'éclair d'arc électrique qui nécessitent des enceintes et des contrôles de sécurité appropriés. Les risques d'exposition aux poudres métalliques réactives nécessitent également des équipements de protection et des protocoles de manipulation pour éviter les risques d'incendie et les dangers pour la santé. Une formation adéquate est essentielle.
