Это одна из технологий, так называемого, аддитивного (от слова additive – добавление) производства готовых изделий. Она отличается от классических методов производства тем, что обычно материал удаляется (фрезеруется, обтачивается, высверливается и т.д.), в данном же случае изделия производятся методом послойного выращивания или, проще говоря, 3D-печати.
Таким образом, не прибегая к изобретению специальных обрабатывающих станков и устройств, электронно-лучевая плавка позволяет изготовить заготовку практически любой сложности по существующей 3Д-модели за несколько часов.
История появления
С начала 80-х годов начали появляться различные методы 3Д-печати. В 1986 г. Карл Декарт предложил свою технологию, которая получила название селективное (выборочное) лазерное спекание. Его суть заключалась в действии на порошковые материалы (композиты, пластик, металлы) лазерного пучка, который приводил их к сплавлению и, таким образом, слой за слоем формировалась деталь.
В 1997 году была основана Шведская компания Arcam AB, которая усовершенствовала эту технологию и назвала ее электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting, EBM). Основное направление их деятельности – производство медицинских имплантатов, протезов и деталей для аэрокосмической отрасли из титана и его сплавов. Сегодня компания продала уже более 100 систем в 10 стран мира.
Технология 3D-печати методом электронно-лучевой плавки
Процесс печати на 3Д-принтере от Arcam AB можно описать такой последовательностью операций:
- Сначала на специальную платформу насыпают или распыляют дозу порошкового материала, после чего слой разравнивается при помощи валика или ножа.
- Согласно координатам, полученным с компьютерной модели, с помощью электронно-лучевой пушки начинают бомбардировать электронами поверхность порошка. При этом генерируется достаточное количество тепла, позволяющее расплавить титан. При этом часть металлического порошка остается в нетронутой.
- Платформа опускается и процесс повторяется.
Нужно отметить, что 3Д-печать осуществляется в камере, где создан искусственный вакуум с давлением меньше 1Х10-4 Бар. Это необходимо для сохранения свойств титана, который теряет их при плавке. Также это помогает нагреву, дело в том, что газовая или воздушная среда создает слишком высокое сопротивление для электронов.
Еще одной особенностью подобных устройств является возможность одновременного «облучения» нескольких участков заготовки, что ускоряет процесс «выращивания».
Материалы, используемые для ЗD-печати
Оборудование Arcam AB работает со следующими типами порошкообразных металлов:
- Arcam Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI . Это наиболее используемые в аэрокосмической и медицинской сферах титановые сплавы. Используется в виде гранул, размером 45-100 мкм.
- Arcam ASTM F75 CoCr. Сплав на основе кобальта. Используется в производстве деталей для газовых турбин, а также в медицине для протезирования и различных имплантатов. Размер гранул порошка – 45-100 мкм.
Сферы применения электронно-лучевой плавки
Электронно-лучевая плавка, позволяет получить высококачественные материалы для таких отраслей человеческой деятельности:
- Медицина. 3Д-печать позволяет получить идеально подходящие по форме титановые и кобальтовые протезы и имплантаты, которые обладают отличной биосовместимостью с человеческим организмом.
- Аэрокосмическая сфера. Детали, изготовленные методом электронно-лучевой плавки, обладают отличными прочностными характеристиками при небольшом весе, что очень ценно для отраслей, где вес и прочность идут рука об руку. Эту технологию используют такие гиганты, как Boeing, Lockheed Martin и NASA для производства деталей двигателей и несущих конструктивных элементов летательных аппаратов.
- Производство небольших серий деталей. Эта технология может использоваться для производства различных пресс-форм, заготовок, вставок и т.д.
- Быстрое прототипирование. Получение моделей готовых изделий в кратчайшие сроки еще на стадии проектирования.
Преимущества технологии
- Детали, полученные по данной технологии, обладают лучшей микроструктурой чем такие же, изготовленные методом литья.
- Высокая производительность оборудования электронно-лучевой плавки составляет 55-80 см3/час, в сравнении с 2-20 см3/час у схожих по размерам лазерных SLS-машин.
- Точность изготовления деталей составляет ±0,2 мм на длине 100 мм.
- 3D-печать происходит при температуре в камере 700-1000°C. Это позволяет не остывать одной части детали в то время, как другая разогрета. Процесс охлаждения происходит равномерно по всей поверхности после окончания печати. Благодаря этому отсутствует эффект усадки и внутренних напряжений изделия, что влияет на ее прочность.
- Возможность производства сразу нескольких изделий.
Недостатки
- В данный момент электронно-лучевая плавка ограничена точностью 0,2 мм, из-за размера электронного пучка, который составляет 0,2-1,0 мм. Это приводит к небольшой шероховатости готовых изделий.
Модели EBM 3D-принтеров и их основные характеристики
Сегодня инженерная фирма АБ Универсал, которая является официальным представителем компании Arcam AB в странах СНГ, предлагает такие устройства:
Arcam A2X
- Размер: 1850x900x2200 мм
- Вес: 1420 кг.
- Минимальный размер пучка: 0.2-1.0 мм.
- Размер рабочей зоны: 200x200x380 мм.
Arcam Q10
- Размер: 1850x900x2200 мм.
- Вес: 1420 кг.
- Минимальный размер пучка: 1 мм.
- Размер рабочей зоны: 200x200x180 мм.
Arcam Q20
- Размер: 2300x1300x2600 мм.
- Вес: 2900 кг.
- Минимальный размер пучка: 0,18 мм.
- Размер рабочей зоны: 350×380 мм.
Итоги
Электронно-лучевая плавка – это, без преувеличения, жизненно необходимая технология, которая может помочь не только поставить на ноги человека, получившего серьезные травмы, но и отправить корабль в космос. Метод производства деталей пока не позволяет сделать ее настолько массовой, чтобы купить ее могла каждая больница или исследовательский институт. Но ведь и компьютеры когда-то были величиной с комнату, а сегодня они уже помещаются в кармане. Технологии постоянно развиваются и это не может не радовать!