ذوب پرتو الکترونی (EBM) یک فرآیند تولید سه بعدی است که در آن یک فلز پودری توسط پرتوی پر انرژی از الکترون ها ذوب می شود. یک پرتو الکترونی جریانی از الکترون‌ها را تولید می‌کند که توسط یک میدان مغناطیسی هدایت می‌شوند و لایه‌ای روی لایه فلز پودری ذوب می‌شوند تا جسمی مطابق با مشخصات دقیق تعریف‌شده توسط یک مدل CAD ایجاد کنند. تولید در یک محفظه خلاء انجام می شود تا از اکسیداسیونی که می تواند مواد بسیار واکنش پذیر را به خطر بیندازد محافظت کند. ذوب پرتو الکترونی شبیه ذوب لیزری انتخابی (SLM) است، زیرا هر دو از پودری از بستر پودر چاپگر سه بعدی چاپ می‌کنند، اما EBM به جای لیزر از پرتو الکترونی استفاده می‌کند.
پروسه ی تکنولوژی ذوب پرتو الکترونی (EBM)
همه چیز با مدل سازی سه بعدی قطعه ی مورد نظر شروع می شود. می توان آن را با استفاده از نرم افزار CAD مدل سازی کرد، با اسکن سه بعدی بدست آورد یا مدل مد نظر را دانلود کرد. سپس مدل سه بعدی به یک نرم افزار برش، که اسلایسر نیز نامیده می شود، فرستاده می شود. سپس برش دهنده تمام این داده ها را مستقیماً به پرینتر سه بعدی ارسال می کند. پودر فلزی در مخزن داخل دستگاه بارگیری می شود. در لایه های نازکی دیپوز می شود و قبل از جوش خوردن توسط پرتو الکترون گرم می شوند. سپس دستگاه این مراحل را تا آنجا که لازم است برای بدست آوردن کل قطعه تکرار می کند. پس از اتمام پروسه ی پرینت، اپراتور قطعه را از دستگاه خارج می کند و پودرهای ذوب نشده را با تفنگ باد یا قلم مو از مدل جدا می کند. مراحل پس از تولید می تواند شامل ماشینکاری سطوحی که با قطعات دیگر در تماس هستند، پرداخت و غیره باشد. در برخی موارد، ممکن است لازم باشد قطعه را در کوره به مدت چند ساعت گرم کرد تا فشارهای ناشی از پروسه ی تولید آزاد شوند. قابل ذکر است که برای انجام فرآیند EBM به شکل صحیح، کلیه مراحل باید در خلا انجام شود. این موضوع همچنین از اکسید شدن پودر هنگام گرم شدن جلوگیری می کند. در پایان مرحله ی تولید، بخش زیادی از پودر ذوب نشده تقریباً به طور مستقیم دوباره قابل استفاده است.
متریال ها و کاربرد
از آنجا که این پروسه بر مبنای قانون بارهای الکتریکی است، متریال مورد استفاده باید رسانا باشند. در غیر این صورت، هیچ تعاملی بین پرتو الکترون و پودر صورت نخواهد گرفت. بنابراین از نظر تکنیکی، ساخت قطعات پلیمری یا سرامیکی به روش EBM غیرممکن است و تنها می توان از متریال های فلزی استفاده کرد. امروزه اغلب از آلیاژهای تیتانیوم و کروم-کبالت استفاده می شو زیرا که Arcam ( از تولیدکنندگان چاپگرهای سه بعدی ذوب پرتو الکترونی فلز) طیف متریال های سازگار را محدود کرده است. در واقع، برای استفاده یا آزمایش متریال های دیگر، کاربران باید دوره های آموزشی را پشت سر بگذارند و مجوز استفاده از دستگاه را دریافت کنند.
تکنولوژی EBM اغلب در صنایع هوانوردی و پزشکی، به ویژه در طراحی ایمپلنت مورد استفاده قرار می گیرد. آلیاژهای تیتانیوم به دلیل خواص سازگاری زیستی و خواص مکانیکی شان بسیار جالب توجه هستند و می توانند سبکی و استحکام را ارائه دهند. این تکنولوژی به طور گسترده ای برای طراحی پره های توربین یا قطعات موتور استفاده می شود. تکنولوژی EBM سریعتر از تکنولوژی LPBF است؛ اما دقت آن و متعاقبا کیفیت نهایی آن پایین تر است زیرا که پودر دانه ای تر است.
مزایای پرینتر 3 بعدی EBM:
- استفاده مجدد از پسماند :
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 ۲۰ درصد از متریال در ساخت نهایی قطعه استفاده می شوند و باقی آنها جدا شده و به بازیافت منتقل می شوند. - 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.
- 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.
- در مقایسه با چاپ با استفاده از لیزر ، قطعاتی که با این روش چاپ می شوند ، استرس گرمایی کمتری را تجربه می کنند و به همین علت به سازه های ساپورت کمتری نسبت به فلز نیازمندند. در نتیجه چاپ با تکنیک EBM به زمان کمتری نسبت به چاپ با استفاده لیزر نیازمند می باشد.
معایب پرینتر EBM :
- بر خلاف SLS، در EBM پودر فلزی به‌طور کامل ذوب می‌شود. این روند معمولاً در دماهای بالا تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود.
- در مقایسه با SLM این روش نسبتاً کند و گران است.
- دسترسی محدود به مواد از دیگر معایب این روش است.
- در سطح پودر، پرتو الکترونی کمی عریض تر از پرتو لیزری است، بنابراین نمی تواند به دقت مشابه با لیزر دست پیدا کند.
- 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 صنعتی خاص مناسب است.
- پرینتر سه بعدی EBM از انرژی کمتری استفاده می کند و سرعت بیشتری نسبت به تکنولوژی های دیگر پرینت سه بعدی فلز دارد ولی قطعاتی که با این تکنیک چاپ می شوند معمولا به عملیات زیادی در مرحله پس پردازش (این عملیات پس از اتمام چاپ قطعه مورد نظر شروع می شود و هدف آن بیشتر تمیز کاری و حذف بخش های اضافی قطعه می باشد.) نیازمند ، در مقایسه با تکنیک لیزر قطعات بدست آمده از کیفیت سطح خوبی برخوردار نیستند.
چه صنایعی اکنون از ذوب پرتو الکترونی استفاده می کند؟
- ذوب پرتو الکترونی برای مهندسی پزشکی
- ذوب پرتو الکترونی برای هوافضا
- ذوب پرتو الکترونی برای صنایع برق، مکانیک، پتروشیمی
یکی از قدیمی‌ترین و موفق‌ترین کاربردهای EBM، ساخت قالب‌های پزشکی تیتانیوم استابولوم برای تعویض مفصل ران است. بعنوان مثال، Amplify Additive توانست زمان عرضه به بازار را از تولید سنتی تا 58 درصد کاهش دهد و موفق به ساخت 54 قالب مفصل انسان (تصویر زیر) در یک ساخت واحد در مقایسه با 12 قالب در یک مجموعه لیزری مشابه شد.
این شرکت بیان می‌کند: «EBM در مورد مفصل مصنوعی استابولوم که بصورت افزودنی تولید می‌شوند، یک برگ برنده آشکار است. فرآیند EBM امکان استفاده حداکثری از حجم ساخت را با چیدن بهینه قطعات فراهم می‌کند. قطعات با دست جدا می شوند و دارای خواص مواد فراتر از استانداردهای ASTM (F2924, F3001) هستند. با این حال، این توانایی با معایبی نیز همراه است:
- با پایان فرآیند ساخت، قطعات نهایی باید قبل از استخراج خنک شوند.
- بدلیل “کیک شدن” پودر، تمیز کردن کانال های داخلی و سایر حفره‌های قطعه دشوار است و آزادی طراحی را در مقایسه با لیزر PBF کمی محدود می کند (اگرچه پودر ذوب نشده ای که می تواند از طریق انفجار حذف شود دارای نرخ بازیافت بین 95 تا 98 درصد است).
علاوه بر کاپ‌های استابولوم، سایر ایمپلنت‌های ارتوپدی بزرگ مانند اجزای زانو فمور، سینی‌های تیبیا، مفاصل زانو و قفس‌های نخاعی در دستگاه‌های EBM ساخته می‌شوند. برای مثال، 4WEB Medical مجموعه‌ای از ایمپلنت‌های خرپایی نخاعی را تولید می‌کند که بر اساس ادغام‌های چندگانه طراحی شده‌اند .
لیست تولیدکنندگان چاپگرهای سه بعدی ذوب پرتو الکترونی فلز
-
شرکت جنرال الکتریک (Arcam / GE Additive)
-
شرکت JEOL
-
شرکت Wayland Additive
-
شرکت Freemelt
-
برند QBeam
-
کمپانی Xi’an Sailong Metal
- ماشین Pro-beamEBM 3D Printer
-
کمپانی میتسوبیشی الکتریک (TADA)
آینده فناوری ذوب پرتو الکترونی فلزات روشن است. مطمئناً چشم انداز هیجان انگیزی برای پرینت سه بعدی EBM در پیش است که از علاقه فعلی بازار تولید مواد افزودنی بعنوان یک کل سود می برد و شرکتهای پیشرو با دانش عمیق فناوری پرتو الکترونی وارد این حوزه می شوند. با این حال، از آنجاییکه معمولا نوآوری‌های تکنولوژیکی از تحقق تمام وعده‌های خود در محیط دنیای واقعی کوتاهی می‌کنند، تنها زمان نشان می‌دهد که آیا EBM خود را بعنوان یک فرآیند تولید غالب در آینده قرار خواهد داد یا خیر.
:Reference
https://www.3dpe.ir/what-is-electron-beam-melting-3d-printer/
