Electron Beam Melting که به معنی ذوب با پرتو الکترونی است و با نام اختصاری EBM نیز شناخته می شود، یک فرآیند پرینت سه بعدی برای تولید قطعات فلزی است. استفاده از EBM ساخت قطعاتی را امکان پذیر ساخته که پیش از این غیر ممکن به نظر می رسید. این مقاله به توضیح روش کار Electron Beam Melting و پرینترهایی که از EBM استفاده می کنند و کاربردهای آن در زمینه های مختلف می پردازد.
شرکت سوئدی Arcam از مجموعه شرکتهای GE Additive (وابسته به کمپانی جنرال موتورز) تا زمان انتشار این مطلب، تنها برند برتر پرینترهای سه بعدی EBM جهان است. از تکنیک EBM مخصوصا برای ساخت قطعات سایز متوسط یا کوچک، در یک سری محدود یا تنها یک عدد استفاده می شود. به همین دلیل است که کاربران اصلی آن صنایع زیست پزشکی (مثلا ساخت پروتز)، صنایع هوا-فضا، پتروشیمی و صنایع خودروسازی هستند.
Electron Beam Melting چگونه کار می کند؟
روش کار Electron Beam Melting شبیه به Selective Laser Sintering است زیرا در هر دو آنها پرینت به وسیله پودری انجام میشود که در بستر چاپ قرار دارد. این پودر به وسیله گرما و ذوب شدن به شکل لایه های نازک دپوزیت می شود تا به این ترتیب لایه به لایه مدل را بسازد.
البته در این فناوری از یک پرتو با انرژی بالا که شامل الکترونهاست (به جای فوتون در روش لیزری) استفاده می شود تا فلز را سفت و جامد کند. این لایه های سفت شده روی هم قرار میگیرند تا ساخت قطعه کامل شود.
فرآیند پس از چاپ EBM:
زمانی که پرینت به پایان می رسد، باید قطعه پرینت شده را از بستر فلزی جدا کرد. این کار باید با ظرافت انجام شود. سپس، تمام پودرهای اضافی باید توسط یک پودر یا یک برس برداشته شوند. اگر از ساپورت استفاده شده باشد آنها نیز باید جدا شوند. این کار با جداسازی ساپورت در FDM یا SLA فرق می کند زیرا در این مورد ساپورت ها فلزی و محکم هستند و نمی توان آنها را با دست جدا کرد. در واقع آنها باید شکسته شوند. در برخی موارد، پرداخت حرارتی پس از تولید برای رها سازی فشار حاصل از پرینت لازم است.
نکته: زمانی که برای ساخت به روش EBM برنامه ریزی میکنید، باید تلورنس، سطح نهایی و برآمدگی ها را در نظر داشته باشید. پس از پایان تولید، اغلب قطعات به پرداخت حرارتی نیاز دارند و ساپورت ها نیز باید جدا شوند. پرداخت نهایی روی قطعات تولید شده با EBM را می توان همانند قطعات جوشکاری انجام داد.
پرتو الکترون EBM چیست؟
اصلیترین تفاوت بین این فرآیند و فرآیند لیزری، منبع انرژی آنها است. در فرآیند Electron Beam Melting از پرتو الکترون به جای پرتو لیزر استفاده می شود. وقتی که فیلامنت فلز تنگستن در شرایط خلاء حرارت داده می شود، الکترون هایی آزاد می شوند که در واقع ذرات اولیه الکتریکی هستند. این ذرات توسط آهنربای الکتریکی شتاب گرفته و جهت داده می شوند و با سرعت بالا به سطح پودر برخورد می کنند. این کار اثر حرارتی بر روی ذرات پودر ایجاد می کند.
برای این که از عملکرد درست پرتو الکترون اطمینان حاصل شود، تمام این مراحل در شرایط خلاء انجام می شود. مزیت دیگر این کار در این است که از اکسید شدن پودر فلز در طول زمان حرارت جلوگیری می شود.
پس از پایان پرینت، اکثر پودرهای اضافی را می توان فورا دوباره استفاده کرد. این قضیه برای تولید کنندگان بسیار ارزشمند است، خصوصا در صنایع هوانوردی که اغلب تنها 20 درصد از متریال در ساخت نهایی قطعه استفاده می شوند و باقی آنها جدا شده و به بازیافت منتقل می شوند.
بیشتر بدانید: معرفی تکنیکهای پرینت سه بعدی material Jetting
از چه متریالی در Electron Beam Melting میتوان استفاده کرد؟
فرآیند Electron Beam Melting بر پایه نیروی الکتریکی است، بنابراین متریال مورد استفاده باید حتما رسانا باشند. در غیر اینصورت، هیچ گونه کنش و واکنشی بین پرتو الکترون و پودر اتفاق نمی افتد. در نتیجه تولید قطعات پلیمری یا سرامیکی به وسیله پرتو الکترون از لحاظ فنی غیر ممکن است.
با این حال، دستگاه های شرکت Arcam دارای طیف محدودی از متریال قابل پرینت هستند که عموما از تیتانیوم و آلیاژهای کروم کبالت تشکیل شده اند. در صورتی که کسی بخواهد متریال دیگری را استفاده یا آزمایش کند (شرکت ها یا آزمایشگاه ها)، یک نفر باید ابتدا دوره آموزشی را بگذراند و مجوز لازم برای کار با دستگاه را از شرکت اخذ کند. به علاوه، این متریال های پودر فلز بسیار گران هستند؛ قیمت آنها میانگین 500 دلار برای هر کیلو است.
پرینت سه بعدی فلز با لیزر یا الکترون؟!
این سوال اغلب از سمت مصرف کنندگانی که تمایل دارند قطعات فلزی را به وسیله پرینتر سه بعدی بسازند و نمی دانند کدام فرآیند را انتخاب کنند، پرسیده میشود. جواب این سوال بستگی به این دارد که چه کاری می خواهید انجام دهید زیرا هر دو فرآیند فواید و معایب مخصوص به خود را دارند.
نقاط قوت:
- سرعت تولید: پرتو الکترونی می تواند به صورت همزمان به چند مکان جداگانه حرارت دهد، این امر باعث می شود که سرعت فرآیند تولید به طرز چشمگیری افزایش یابد.
- گرم کردن پودر قبل از ذوب شدن باعث می شود که تغییر شکل و دگردیسی محدود شود و این باعث کاهش نیاز به تقویت و استفاده از ساپورت می شود.
نقاط ضعف:
- روند کار: در سطح پودر، پرتو الکترونی کمی عریض تر از پرتو لیزری است، بنابراین نمی تواند به دقت مشابه با لیزر دست پیدا کند.
- اندازه قطعات قابل ساخت: دستگاه Q20 شرکت Arcam که بزرگترین حجم ساخت را دارد می تواند حداکثر قطعاتی با قطر 350 میلیمتر و ارتفاع 380 میلیمتر را تولید کند در حالیکه دستگاه های لیزری مانند X-Line Concept Laser حجم تولیدی حداقل دو برابر این مقدار را دارند.
- قیمت بالا در تولید: هم پرینتر سه بعدی مخصوص و هم متریال آن گرانتر از تکنیکهای لیزری هستند و در نتیجه EBM تنها برای پرینت سه بعدی قطعات صنعتی خاص مناسب است.
فرآیند Electron Beam Melting به دلیل ظرفیت بالای پالایش و درجه بالای انعطاف پذیری منبع گرمایشی آن قابل توجه است. این تکنولوژی برای ریخته گری و پالایش فلزات و آلیاژها در شرایط خلاء و در قابهای مسی پر شده از آب سرد مناسب است. این روش اغلب نه به عنوان یک نوع تکنولوژی پرینت سه بعدی بلکه در گروه تولیدات سریع دسته بندی می شود. اما هر چه باشد قابل ذکر و توجه است.
این فرآیند امروزه برای تولید فلزات مقاوم و واکنش پذیر مانند تیتانیوم، زیرکونیوم، تانتالیوم، نایوبیوم، مولیبدن، تنگستن، وانادیوم، هافنیوم و آلیاژهای آنها استفاده می شود. این تکنولوژی نقش مهمی در تولید مواد خام اشباع شده و آلیاژهای الکترونیکی و بازیافت ضایعات تیتانیوم دارد.
در این تکنولوژی، تولید قطعات به روش ذوب لایه به لایه پودر فلز به وسیله پرتو الکترونی در شرایط خلاء انجام می شود. هر لایه با مختصات دقیقی که توسط مدل CAD تعریف شده است ذوب می شود. برای هر لایه در حال ساخت، پرتو الکترونی به تمام بستر پودر گرما می دهد و نسبت به متریال مورد استفاده، دمای آن را به حالت مطلوب و بهینه می رساند. در نتیجه قطعات تولید شده به روش EBM از تنشها و خطاهای ناشی از پرینت 3 بعدی آزاد هستند و دارای ریز ساختارهای آزاد از جنس ساختارهای مارتنزیتی می باشند.
همانطور که قبلا گفتیم، دستگاه های EBM از یک پرتو الکترونی با قدرت بالا بهره می برند که انرژی لازم برای ظرفیت ذوب بالا و بازدهی بالا را تامین می کند. پرتو الکترونی به وسیله کویلهای الکترومغناطیسی مدیریت می شود که این کار باعث بالا رفتن سرعت و دقت کنترل پرتو شده و همچنین امکان ذوب در چند مکان متفاوت را فراهم می کند.
فرآیند EBM در خلاء و در دمای بالا انجام می شود و در نتیجه اجزای تولید شده نسبت به تولیدات ریخته گری، از تنش و فشار آزاد هستند و نیز دارای خواص بهتری می باشند. بر خلاف برخی از تکنیک های ذوب فلز، قطعات تولید شده در EBM بسیار متراکم و به شدت محکم هستند.
حوزه های کاربردی فناوری EBM 3D Printer:
- تولید سری قطعات کوچک که همه یک شکل باشند (ممکن است پرداخت نهایی برای دستیابی به تلورنس و سطح نهایی بهتر لازم باشد)
- نمونه سازی برای آزمایش در مورد شکل و اندازه و آزمایش های کاربردی
- قطعات ساپورت (هدایت کننده، ثابت کننده، نگهدارنده) مستقیما توسط EBM تولید می شوند.
- ایده آل برای پروتزهای پزشکی، قطعات صنایع هوا فضا، صنایع نظامی و خودروسازی
مشخصات و محدودیت ها:
- حداکثر حجم ساخت: 350x350x380 میلیمتر مکعب
- حداقل اندازه ابعاد: 1 میلیمتر
- تلورنس معمول: +/- 0.2 میلیمتر (از طریق ماشینکاری می تواند بهبود پیدا کند)
- حداقل ضخامت لایه: 0.05 میلیمتر
- سطح نهایی معمول: 3 – 25.4 microns RA (به وسیله پرداخت نهایی می تواند بهبود پیدا کند)
- تراکم: تا 99.9 درصد
البته مشخصات به صورت نمونه ذکر شده است زیرا نسبت به مدل دستگاه ها کمی تفاوت وجود دارد.
نکته: محصولات خارجی حوزه EBM را به جهت مسائل تحریم، هزینه بالا و عدم پشتیبانی فنی نمیتوان به داخل کشور وارد کرد. اما چند شرکت بومی در ایران تحقیقات درباره این فناوری را شروع کرده اند.
وقتتون بخیر شما هم از این تکنولوژی استفاده میکنید؟ یا فقط FDM ؟
ما فقط تکنیک
FDM
کار میکنیم ولی شرکتهای محدودی در ایران خدمات پرینت فلزی دارند
در ضمن فیلامنت متریال فلزی هم جدیدا عرضه شده در کشورهای صنعتی – لطفا مقاله زیر را مطالعه فرمایید
https://www.3dpe.ir/best-metal-fdm-3d-printer/