Fundición por haz de electrones – Guía completa

La fabricación de piezas intrincadas en sectores como la medicina, automatización, militar, producción industrial y aeronáutica, requiere de alta precisión y tecnología innovadora de Manufactura de Capa Aditiva(ALM). Una de esas tecnologías es la Fusión por Haz de Electrones (EBM), o simplemente impresión 3D EBM.

¿En qué consiste la impresión 3D EBM? Este post tiene las respuestas.

1. ¿Qué es la Fusión por Haz de Electrones?

La Fusión por Haz de Electrones es un proceso de fusión por lecho de polvo en el cual se produce una pieza metálica utilizando una tecnología de impresión 3D para fundir capas de polvo metálico específico con la ayuda de un haz de electrones de alta temperatura y luego unirlos en capas sólidas consecutivas para formar un componente completo.

1.1 Impresión 3D EBM – Historia del Desarrollo

Tal vez te estés preguntando cómo se inició y desarrolló la EBM. La historia de la impresión 3D EBM comenzó con el físico alemán, Dr. Karl-Heinz Steigerwald, quien inventó la tecnología de haz de electrones.

Él desarrolló con éxito la primera máquina de haz de electrones operativa en 1952. Para principios de 1990, una empresa alemana, H.C. Starck GmbH había comenzado a utilizar la tecnología de EBM para producir una amplia gama de piezas industriales.

Arcam, una empresa alemana en colaboración con la Universidad de Tecnología de Chalmers, patentó conjuntamente la tecnología EBM en 1993.

Cuatro años más tarde, la impresión 3D EBM se comercializó después de que se formara una nueva empresa, Arcam AB. En 2016, GE adquirió con éxito Arcam AB y actualmente es el proveedor de tecnología de impresión 3D EBM.

1.2 Comparación de EBM con la Fusión Selectiva por Láser (SLM)

Notarás que la EBM es una tecnología de fusión en lecho de polvo con algunas similitudes con Fusión Selectiva por Láser (SLM) y Tecnología de Fusión por Lecho de Polvo con Láser(LPBF).

Sin embargo, hay algunas diferencias clave que vale la pena conocer.

2. EBM vs SLM – Similitudes y Diferencias

A continuación se muestra una tabla que compara las diferencias y similitudes entre la Fusión por Haz de Electrones y las Tecnologías de Fusión Selectiva por Láser:

 

COMPARACIONES EBM vs SLM
Similitudes Fusión por Haz de Electrones Fusión Selectiva por Láser
Ambas son tecnologías de fusión en lecho de polvo utilizadas en la fabricación aditiva
Los materiales de producción deben estar en forma de polvo
Los materiales se funden en capas consecutivas durante la producción
Ambas pueden requerir estructuras de soporte durante el proceso de producción
Después de la impresión 3D, las piezas producidas necesitan tiempo para enfriarse
Diferencias En la EBM, la fusión de metal se logra mediante un haz de electrones de alta energía La energía de fusión proviene del láser de dióxido de carbono(CO2)
Se utilizan polvos metálicos conductivos específicos como material de producción en la EBM Utiliza polímeros termoplásticos como material de polvo de producción
La EBM tiene un rango limitado de materiales para elegir y, por lo tanto, restringe el tipo de piezas que se pueden producir. Tiene una amplia gama de opciones de materiales que le permite producir una amplia gama de piezas.
La EBM tiene una menor precisión y resolución de producción La precisión y resolución de la producción son altas
La EBM genera un haz más amplio para una impresión o producción de componentes más rápida Una solución SLM de un solo haz no es tan rápida como la EBM, pero existen opciones de máquinas con uno, cuatro y doce haces para aumentar la velocidad de producción
La impresión 3D EAB se lleva a cabo en una cámara de vacío, lo que hace que el proceso de configuración sea complejo. No requiere un entorno de vacío, sino más bien una cámara de gas inerte a presión atmosférica
Requiere una mayor altura de capa de polvo de aproximadamente 70 micras La altura de la capa de polvo es menor y varía entre 20 y 50 micras
Tiene un volumen de impresión bajo que es cilíndrico –

350 mm ( D) x 430 (H )mm

Tiene un volumen de impresión más alto que mide – 600 mm X 600 mm X 600 mm

3. Fusión por Haz de Electrones – Materiales Utilizados

La tecnología EBM trabaja con solo unos pocos metales conductores en polvo. Los metales más comúnmente utilizados son aleaciones de titanio y cobalto.

Basándose en el componente deseado y sus propiedades, aquí tienes una lista de materiales metálicos que puedes usar con la EBM:

  • Aleaciones de Níquel
  • Cobre
  • Tántalo
  • Acero para herramientas
  • Acero inoxidable
  • Cobalto Cromo,
  • Carburo de tungsteno

4. EBM – ¿Qué Impresora 3D Necesitas?

La impresión 3D EBM es una tecnología propietaria. Únicamente es proporcionada por Arcam AB, que actualmente está bajo el control de General Electric(GE)

Por lo tanto, las impresoras 3D EBM utilizadas comercialmente son únicamente las máquinas Arcam EBM

Para asegurarte de obtener componentes de alta calidad y mantener una alta eficiencia de producción, es importante que solo contrates técnicos altamente capacitados en impresión 3D.

5. Proceso de Impresión 3D de Fusión Electrónica

Tecnología Transformadora – Fusión por Haz de Electrones (EBM)

Antes de empezar tu proceso de Fusión por Haz de Electrones, necesitas tener todos los materiales o componentes necesarios, los cuales discutiremos más adelante en esta publicación.

Para la producción exitosa de tus piezas en 3D EBM, se incluyen los siguientes procesos.

5.0.1 Modelado del Diseño

En esta etapa inicial, puedes crear tu propio diseño en 3D o recibir un diseño de un componente completado profesionalmente de un cliente.

El diseño se realiza con software de modelado en 3D adecuado.

Si tienes o te han presentado un proyecto original que no tiene defectos, puedes escanearlo para obtener su imagen imprimible en 3D.

5.0.2 Segmentación del Modelo 3D

Debido a que las impresoras EBM trabajan por capas, necesitas segmentar tu diseño en 3D en capas imprimibles. Esto se logra fácilmente usando una herramienta o aplicación especial de segmentación.

5.0.3 Instalación de EBM – Preparación del Material

Esto implica la preparación del polvo más adecuado y verterlo en una placa de construcción cerrada por la cámara de vacío.

5.0.4 El Proceso de Calentamiento

El calentamiento del material se logra mediante un haz de electrones de alta energía enfocado en la placa de construcción y que hace que el polvo se derrita.

5.0.5 Escaneo de Superficies

Un haz de electrones escanea la capa exterior del polvo metálico para formar una forma en 3D. Esto se logra con el haz fundiendo la capa de polvo mientras las une para formar la capa superior deseada en 3D.

5.0.6 Construcción de Capas de Partes Sucesivas

El haz de electrones continúa con su proceso de escaneo capa por capa hasta que todas las partes del diseño en 3D estén completadas. Esto se logra porque cada forma de capa superior completada se fusiona con la siguiente y, en última instancia, la capa final.

5.0.7 El Proceso de Enfriamiento

Cuando se han creado y unido todas las capas de la forma en 3D, tanto la placa de construcción como la forma o componente impreso se enfrían para solidificar la forma en 3D. El proceso de enfriamiento también ayuda a fortalecer la parte creada.

5.0.8 Estructuras de Soporte (Si las Hay)

Si tu diseño o modelo 3D requiere otros componentes para mantenerse estable, entonces también se imprimirán en capas al igual que la parte principal.

5.0.9 Procesamiento Post-Producción

En esta etapa, se eliminan cualquier estructura o material no deseado que pueda formar parte de tu componente ya impreso

5.1.0 Acabado de Partes

Según el requisito, puedes decidir darle el acabado final a tu parte. Esto puede ser en forma de pintura, alisado, pulido o tratamiento térmico

5.1.1 Control de Calidad (QC)

Para garantizar que la parte final impresa en 3D cumpla con el estándar de calidad deseado, la evaluación del control de calidad es fundamental.

6. Ventajas y Desventajas de la Fusión por Haz de Electrones

Al igual que con otros procesos de fabricación aditiva, la
Por lo tanto, mejorará la eficiencia de su fabricación mientras reduce el costo de producción.

6.1.0.6 Versatilidad en la Fabricación

Con la tecnología EBM, puede producir una amplia gama de componentes para diferentes industrias. Esta versatilidad la hace ideal para la producción de elementos complejos como piezas médicas, aeroespaciales o electrónicas, entre otros.

6.1.0.7 Permite la Automatización

Dependiendo de la escala deseada de producción, puede integrar su software de modelado de componentes de impresoras EBM 3D, impresión y procesos posteriores a la impresión para obtener un proceso de producción de piezas totalmente automatizado y eficiente.

6.1.0.8 Produce Piezas Detalladas y Complejas

Encontrará que la fabricación de componentes detallados e intrincados es mucho más fácil con la tecnología EBM en comparación con otros procesos de fabricación aditiva.

6.1.0.9 Uniformidad de las Piezas Producidas

La técnica de fabricación EBM produce piezas uniformes debido a su alto nivel de precisión.

Por lo tanto, no experimentará pérdidas de fabricación ligadas a la producción de piezas defectuosas o rechazables.

6.1.1.1 Eficiencia en el Uso de Material

El proceso de impresión 3D EBM produce muy poco desperdicio. Además, el polvo metálico que queda después de la formación de un componente aún se puede utilizar para la producción de nuevas piezas para una mayor rentabilidad y eficiencia.

6.1.1.2 Amigable con el Medio Ambiente

Debido a que la tecnología EBM utiliza menos energía, menos materiales y produce menos desperdicio, es una opción ideal si está buscando una tecnología de fabricación aditiva respetuosa con el medio ambiente.

6.1.1.3 Flexibilidad de Personalización o Libertad de Diseño

Con la tecnología de impresión por haz de electrones, no hay límites cuando se trata de la personalización o el diseño de componentes para satisfacer los requisitos de aplicación de sus clientes.

6.1.1.4 Producción de Productos de Alta Resistencia

Debido a que la impresión 3D EBM requiere metal como material de producción, las piezas producidas son fuertes y duraderas.

6.2 Desventajas

A pesar de tener varias ventajas, la tecnología de impresión 3D EBM también tiene las siguientes desventajas o inconvenientes:

6.2.0.1 Es una Tecnología Costosa

La tecnología de fusión por haz de electrones requiere que invierta en una máquina de impresión 3D especializada y materiales costosos.

Por ejemplo, una impresora 3D EBM estándar puede costar cientos de dólares. Además, el proceso de producción es intensivo en mano de obra y requiere un técnico altamente capacitado.

6.2.0.2 Configuración Compleja de Hardware y Software

Configurar tanto el hardware como el software para el proceso de impresión 3D por fusión de haz de electrones es complejo.

Esto se debe a que necesita configurar o controlar precisamente varios parámetros como la temperatura y la presión para producir componentes de alta calidad.

6.2.0.3 Limitación de Materiales

La producción de piezas a través del proceso de fusión por haz de electrones está limitada solo a metales específicos. Por lo tanto, tanto la cantidad como los tipos de piezas que puede producir están limitados.

Además, para productos de calidad, los polvos metálicos deben ser de alta calidad y estar adecuadamente probados para asegurar que cumplen con los estándares deseados.

Además, el haz de electrones producido por su impresora 3D EBM debe ser adecuado para su máquina de impresión y para las características proporcionadas de los componentes.

6.2.0.4 Superficie Rugosa – Procesos Extensos de Post-Producción

Debido a que el proceso de fusión por haz de electrones requiere una capa densa de polvo metálico, los componentes producidos no tienen superficies lisas. Esto se debe a que la capa gruesa afecta la precisión de la impresión.

Por lo tanto, tendrá que dedicar más tiempo y recursos al postprocesamiento para obtener el acabado de superficie de alta calidad deseado.

6.2.0.5 Bajo Volumen de Producción

Si está interesado en la producción a gran escala, el proceso de fusión por haz de electrones no será una opción adecuada.

Esto se debe a que el proceso no se puede optimizar fácilmente. Por lo tanto, su volumen de producción seguirá siendo bajo.

Para la fabricación a gran volumen, tendrá que integrar varias impresoras 3D con otros procesos de producción y postproducción para un sistema automatizado.

6.2.0.6 Tiempo de Enfriamiento Extendido

Después de la formación de las piezas a través de la EBM, se requiere más tiempo para que el producto impreso en 3D se enfríe de manera efectiva y así evitar que se desarrollen grietas o deformaciones en las partes.

Y así, debido a que esto ocurre dentro de la máquina, es posible que tenga que esperar más tiempo antes de que su parte esté lista para otros procesos de postproducción.

6.2.0.7 El Polvo Metálico Es Peligroso

El polvo metálico utilizado en el proceso de impresión 3D EBM puede resultar peligroso, especialmente si está compuesto por partículas finas. Pueden resultar tóxicas al inhalarlas.

Por lo tanto, debe tomar las medidas de seguridad necesarias al manipular los materiales.

6.2.0.8 El Desafío en la Remoción del Polvo

Después de la impresión de la pieza, la eliminación del polvo, especialmente de partes muy intrincadas, puede ser un desafío.

Por lo tanto, sus pasos de postproducción pueden requerir equipos más especializados para garantizar que sus piezas estén libres de polvo metálico.

7. Partes y Funciones de la Máquina de Fusión por Haz de Electrones

A continuación se presentan las principales partes de la máquina de impresión 3D EBM que necesita conocer, y sus funciones durante el proceso de fabricación:

7.1.0.1 Sistema de Control de la Máquina

Se trata de una solución de software informático que su técnico en impresión 3D puede programar para controlar las operaciones del sistema de impresión 3D.

7.1.0.2 Fuente de Alimentación

La unidad de fuente de alimentación de la máquina EBM proporciona la potencia deseada que necesita su pistola de haz de electrones para su funcionamiento efectivo. También suministra la potencia operativa requerida para las partes de la máquina.

7.1.0.3 Sistema de Monitoreo de Temperatura

La configuración de la temperatura adecuada es crítica para el proceso de impresión 3D EBM.

Por lo tanto, el sistema de monitoreo de temperatura asegura que los niveles de temperatura en diferentes secciones, como la cámara de vacío o la pistola de haz de electrones, se mantengan a un nivel adecuado.

Esto garantiza la eficiencia de la operación de la máquina, ya que las temperaturas bajas pueden tener efectos adversos en la calidad.

7.1.0.4 Pistola de Haz de Electrones

Esta sección es responsable de emitir el haz de electrones de alta energía deseado para calentar y fundir el polvo metálico dentro del recinto de vacío.

7.1.0.5 Lente de Enfoque

La lente de enfoque ayuda a dirigir y estrechar de manera precisa el haz de electrones a la sección correcta de un componente para su producción precisa o impresión 3D.

7.1.0.6 Tolva de Polvo EBD

Se trata de una unidad de dispensación operada mecánicamente que le ayuda a suministrar polvo metálico en el lecho de polvo listo para la impresión 3D.

7.1.0.7 Recinto de Vacío

Una cámara de vacío donde se recoge el polvo metálico del contenedor para la producción de piezas. Ayuda a atrapar y extraer los gases que se forman durante la producción de piezas a alta temperatura.

Una bomba de vacío especial está conectada al recinto de vacío para facilitar la extracción de los gases atrapados.

El vacío garantiza la fusión precisa del polvo metálico y también protege el polvo de posibles oxidaciones durante el proceso de calentamiento y fusión. Y así, mantiene las piezas creadas libres de posibles contaminaciones.

7.1.0.8 Sistema de Enfriamiento

Este puede ser un sistema de enfriamiento de agua o aire que, durante el proceso de impresión 3D EBM, asegura que después de la fusión, su polvo metálico se enfríe de manera efectiva durante el proceso de impresión.

7.1.0.9 Láminas de Campo Magnético

Las bobinas de campo magnético forman un campo magnético protector alrededor de la pistola de haz de electrones y otras secciones circundantes para garantizar su rendimiento estable.

También ayuda a mantener el haz de electrones enfocado en el polvo metálico dentro del recinto de vacío para la impresión 3D efectiva de las piezas.

8. Aplicaciones de la Tecnología de Fusión por Haz de Electrones

Aquí hay algunas de las áreas donde la fabricación aditiva por haz de electrones se aplica ampliamente:

8.1 Aplicaciones Médicas

El sector médico es otra área donde encontrará ampliamente utilizado la tecnología de fabricación aditiva por haz de electrones para producir una amplia gama de dispositivos médicos de alta precisión.

Estos dispositivos incluyen, entre otros, la producción personalizada de reemplazos de cadera, reemplazos de rodilla canina, implantes dentales y prótesis, entre otros.

8.2 Sector Aeroespacial

El sector aeroespacial es otra área donde el uso de la tecnología EBM ha seguido aumentando. Por ejemplo, se utilizan la tecnología de fusión por haz para producir toberas de motor, piezas de tren de aterrizaje, álabes de toberas, cámaras de combustible y otras partes de motores de cohetes o aviones.

8.3 Aplicaciones en el Sector Militar

La producción y fabricación de varios equipos militares de alta precisión, incluidas armas y aviones, es posible mediante el proceso de fabricación aditiva por haz de electrones.

8.4 Industria Automotriz

Dentro de la industria automotriz, la tecnología EBM se utiliza para producir piezas de motor o piezas personalizadas de alta precisión, como turbocompresores y ruedas de compresores. También puede utilizar la tecnología para producir componentes de repuesto o para unir partes.

8.5 Industria de la Soldadura

La tecnología EBM se utiliza ampliamente en la industria de la soldadura para unir piezas de metal sin riesgos de distorsión.

8.6 Manufactura de Joyería

Debido a que la tecnología EBM puede producir piezas complejas, se utiliza en el sector de la fabricación de joyería para crear productos de joyería más únicos y atractivos.

Todo lo que necesita es un software de diseño de joyería adecuado para una exitosa impresión en 3D de sus colecciones de joyería.

8.7 Programas de Investigación

Algunos programas de investigación requieren productos con formas o diseños complejos. También hay casos en los que se requieren prototipos para fines de prueba. Todo esto es posible gracias a la tecnología de impresión 3D EBM.

9. Conclusión

La tecnología de fusión por haz de electrones (EBM) es un método innovador de impresión en 3D que se utiliza para desarrollar una amplia gama de componentes industriales complejos. Su aplicación, especialmente en el sector aeroespacial y médico, sigue en aumento.

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