EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK,
Industriell Ekonomi och Produktion, högskoleingenjör 15 hp
SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2021
Electron Beam Melting
En State of the Art Rapport och komparativ studie av additiva tillverkningsmetoder
Etwal Sabri Hanna
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT INSTITUTIONEN FÖR HÅLLBAR PRODUKTIONSUTVECKLING
Elctron Beam Melting: En State of the Art Rapport och komparativ studie av additiva
tillverkningsmetoder av
Etwal Sabri Hanna
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2021:84
Electron Beam Melting: En State of the Art Rapport och komparativ studie av Additiva
Tillverkningsmetoder
Etwal Sabri Hanna
Godkänt
2021-04-19
Examinator KTH
Claes Hansson
Handledare KTH
Bertil Wanner
Uppdragsgivare
Kungliga Tekniska Högskolan
Företagskontakt/handledare
Bertil Wanner
Sammanfattning
Additive tillverkning (AM) är en tillverkningsteknik som har använts i stor utsträckning i industrier de senaste åren. Electron beam melting (EBM) är en innovativ teknik för tillverkning inom ortopediska implantat- och flygindustrin för att EBM erbjuder hög produktivitet och lägre kostnad per del. Jämfört med traditionella tillverkningsmetoder kan EBM tillverka delar med betydande mekaniska egenskaper, men det finns några vanliga brister som hindrar EBMs förmåga att bli en vanligare bearbetningsmetod vid tillverkning.
I detta arbete, som tar an formen av en State of the Art Rapport, introduceras EBM-metoden på teknisk nivå och jämförs med andra AM-metoder och konventionella tillverkningsmetoder.
Nyckelord
Elektronstrålesmältning, EBM, State of The Art Rapport, SAR, Additiv tillverkning, AM.
Bachelor of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2021:84
Electron Beam Melting: A State of the Art Report and comparison of Additive Manufacturing Methods
Etwal Sabri Hanna
Approved
2021-04-19
Examiner KTH
Claes Hansson
Supervisor KTH
Bertil Wanner
Commissioner
Royal Institute of Technology
Contact person at company
Bertil Wanner
Abstract
Additive manufacturing (AM) is a manufacturing technology that has been widely used in industries in recent years. Electron beam melting (EBM) is an innovative technology for manufacturing of the orthopedic implant and aerospace industry because EBM offers high productivity and lower cost per part. Compared to traditional manufacturing methods, EBM can produce parts with significant mechanical properties, but there is some common shortcoming that prevent EBM's ability to become a more common processing method in manufacturing.
This work, which takes the form of a State of the Art Report, introduces the EBM method at the technical level and compares with other AM methods and conventional manufacturing methods.
Key‐words
Electron Beam Melting, EBM, Additive Manufacturing, AM, State of The Art Rapport, SAR.
Förord
Detta examensarbete har utförts av Etwal Sabri Hanna under VT 2021 i
högskoleingenjörsprogrammet Maskinteknik med inriktningen Industriell Ekonomi och Produktion på KTH Södertälje. Examensarbetet består av 15 högskolepoäng och motsvarar 10 veckors heltidsstudier.
Tack till handledare Bertil Wanner för all hjälp och vägledning under projektets gång och tack till Claes Hansson som agerade som examinator i detta projekt.
Förkortningar
Förkortning Engelska Svensk översättning
AM Additive manufacturing Additiv tillverkning ASTM American Society for
Testing and Materials Amerikansk
standardiseringsorganisation
BJ Binder Jetting
DED Directed Energy
Deposition
EBM Electron Beam Melting Elektronstrålesmältning
PBF Powder Bed Fusion
SLM Selective Laser Melting Selektiv lasersmältning
Innehåll
1. Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problemformulering ... 2
1.3 Målformulering ... 2
1.4 Avgränsningar ... 2
2. Metoder ... 3
3. Teoretisk referensram ... 5
3.1 Elektronstrålesmältningen i detalj ... 5
3.1.1 En kort historia om EBM ... 5
3.1.2 Powder bed fusion (PBF) ... 5
3.1.3 Elektronstrålesmältningen (EBM) ... 6
3.1.4 Användningsområden ... 8
3.1.5 Metaller och legeringar tillgängliga för EBM-bearbetning ... 8
3.2 Jämförelse med AM-metoder ... 10
3.2.1 Selective Laser Melting ... 10
3.2.2 Binder Jetting ... 11
3.2.3 Directed Energy Deposition (DED) ... 12
3.3 Jämförelse med konventionella metoder ... 14
4. Resultat ... 15
5. Slutsatser ... 19
6. Diskussion ... 21 Referenser ... I
1. Inledning
I detta inledande kapitel introduceras bakgrunden, problemformulering och målen för detta arbete. Avgränsningen presenteras också här för att bilda rapportens omfattning.
1.1 Bakgrund
För mer än tre decennier sedan tvingades europeiska och amerikanska företag att snabbt växla mot lågvolymproduktion just på grund av att massproduktion flyttades till utvecklingsländer då dök upp behovet av en ny tillverkningsteknik för att produktion av mer innovativa och hållbara produkter med högt mervärde skall uppnås. Additive Manufacturing (AM) introducerades 1986 när Charles (Chuck) Hull lämnade in sitt första SLA-patent, då började tillverkare söka nya tillverkningstekniker för att tillhandahålla de nödvändiga verktygen. Därefter har många nya AM-processer utvecklats under de senaste 30 åren för att möta kravet på ökad flexibilitet och möjliggöra ekonomisk produktion med låg volym. Enligt kommittén ASTM F42 (American Society for Testing and Materials) kan AM indelas i sju kategorier baserat på den huvudsakliga tekniken eller råvarorna som används vid tillverkning av detaljer eller prototyper. Flesta av dessa processer är baserade på att bygga 3D-modeller på lager för lager sätt
I allmänhet baseras AM-teknologier på användningen av värmekälla eller bindemedel för att sammanfoga metallpulver där 3D-detalj byggs på att addera lager av materialet på varandra enligt en tredimensionell (3D) modelldata där generellt följer nästan alla AM-teknologier sju stegs vid tillverkning av en detalj som är följande:
1. Skapa 3D-modell: i första steget används CAD-programvara eller en 3D- objektscanner för att skapa en 3D-modell av objektet.
2. Skapa STL-fil: efter skapandet av CAD-modellen, överförs modellen till en STL- fil.
3. Överföra STL-fil: i detta steg används en anpassad maskinvara för att STL-filen överförs till skrivaren.
4. Inställa maskin: 3D-skrivare inställs för att byggprocessen ska påbörjas.
5. Byggprocessen: här börjar skrivaren modellbyggning genom lager för lager sätt.
6. Undanplockning: En del tas sedan bort från byggplattformen och dess stödstruktur.
7. Efterbehandling: Slutligen kommer en efterbehandling att äga rum som kan vara målning, rengöring och polering.
AM-processer av metalliska material innefattar vanligtvis Powder Bed Fusion (PBF), Direct Energy Deposition (DED), Binder Jetting (BJ) och Sheet Lamination (SL); där är PBF för närvarande den vanligaste metod som används i additiv tillverkning som innefattar användning av antingen laser eller elektronstråle för att tillverka 3D- detaljer. Dessa processer är tydligtvis en annan form av tillverkning som har många fördelar jämfört med traditionella tillverkningsprocesser; därför har dessa tekniker studerats för att undersöka vilka material finns tillgängliga och dess användningsområde som har blivit alltför större med tiden. Således kommer denna rapport att studera flera moderna AM-processer med fokus på Electron Beam Melting process för att utforska möjligheter och begränsningar för EBM och redogöra skillnader mellan dessa metoder med avseende på bearbetningstid, kostnader och användningsområde.
1.2 Problemformulering
Additiva tillverkningsmetoder har ständigt utvecklats där mycket forskning har utförts för att belysa olika tekniker inom fältet additiv tillverkning med syftet att introducera dessa metoder och dess användningsområde. Därför kommer detta projekt att introducera det aktuella läget för additiv tillverkning och mer specifikt, Electron Beam Melting. Eftersom det inte finns något fullständigt teoretiskt arbete för att jämföra EBM metod med andra additiva tillverkningsmetoder och konventionella metoder;
kommer fokus på denna rapport att förklara EBM process. Rapporten kommer vara strikt teoretisk och endast vetenskapliga artiklar och böcker kommer att tjäna som grund för den forskning som bedrivs i rapport. Alltså huvuduppgiften i rapporten är att följande frågor skall besvaras:
Hur fungerar Electron Beam Meltin metod, vilka är tillämpningsområde och vilka material är tillgängliga idag?
I jämförelse med andra AM-metoder, vilka för- och nackdelar har EBM?
I jämförelse med konventionella metoder, vilka för- och nackdelar har EBM?
1.3 Målformulering
Målet med rapporten är att:
• presentera Electron Beam Melting process i detalj;
• jämföra EBM med andra metoder inom additiv tillverkning såsom Selektive Laser Melting, Binder Jetting och Directed Energy Deposition med avseende på kostnader, tid, material och användningsområde;
• jämföra EBM med konventionell tillverkning i generella drag med avseende på teknik, ekologi och ekonomi;
1.4 Avgränsningar
Rapporten kommer inte att jämföras eller relateras till 3D-skrivning av någon annan typ av material, såsom plast, nylon eller cement. Detta beror på att projektet endast involverar 3D-skrivning / additiv tillverkning inom metallbearbetning. De dokument som ligger till grund för rapporten är huvudsakligen från 2010 och för att hålla informationer så aktuella som möjligt. Detta arbete kommer att vara strikt teoretiskt och endast sekundärkällor kommer att användas. Ingen enkätundersökning, observation eller Intervjun kommer att slutföras.
2. Metoder
För att frågeställningarna som ställs i inledningen skall besvaras och relevanta informationer skall hittas, definierades först olika nyckelord för att detta arbete är byggd på litteratursökning som utförs på tillgängliga databaser, bibliotek och Internet.
Exempel på nyckelord som används är:
Additive manufacturing, additiv tillverkning
Electron Beam Melting, Binder Jetting, Direct Metal Deposition, Selective Laser Melting.
3D-printing, 3D-skrivare
Conventional manufacturing, konventionell tillverkning Insamling och analys av data
Detta projekt sätts igång genom att påbörja undersökning av primära och sekundära källor; där används KTH-bibliotekets artikeldatabas Primo för att hitta de relevanta vetenskapliga artiklarna inom fältet additiv tillverkning och Elecron Beam Melting.
Därtill kommer andra diverse databaser att användas för inhämtning av artiklar såsom Google Scholar och Elseviers Science Direct för att få en tydlig bild av dagsaktuella publikationer. Följaktligen baseras analysen på dessa artiklar för att frågeställningarna ska besvaras för att den valda tekniken beskrivs i detalj och därigenom kunna förstå de inbyggda begränsningarna och möjligheterna i varje enskild metod.
3. Teoretisk referensram
I detta kapitel presenteras Electron Beam Melting process i detalj. Den ställs i
kontrast mot andra additiva och subtraktiva tillverkningsmetoder. Vissa av de vanligt använda metallerna och legeringarna presenteras här. Slutligen rapporterades senaste utvecklingen av tekniken och dess framtid diskuterades.
3.1 Elektronstrålesmältningen i detalj
Elektronstrålesmältning (EBM) är en additiv tillverkningsmetod som är en variant av Powder Bed fusion. Därmed kommer processen för PBF beskrivas först efter ett kort stycke om EBM-teknologins historia i detta kapitel, sedan, detaljerad beskrivning av EBM och sist, i vilka användningsområden EBM tillämpas idag.
3.1.1 En kort historia om EBM
I många år har elektronstrålen med relativ hög effekt använts för bland annat bearbetning av material, svetsning, värmebehandling och lödning. Följaktligen utvecklades Chalmers tekniska högskola i 1993 Elektronstrålesmältnings process som är baserad på användning av en elektronstråle för att smälta metallpulver för att kunna uppnå en snabb tillverkning och prototyping av metalldelar. EBM faller under kategorin Powder Bed Fusion och introducerades i marknaden av det svenska företaget Arcam AB i 1997. Denna teknik lyckades få snabb uppmärksamhet i olika industrier på grund av dess förmåga att leverera helt kompakta delar till en kostnad och hastighet som är betydligt lägre än andra AM-metoder. (Yang, L., et al., 2017) &
(Ataee, A., et al., 2017)
I senare skede hade EBM använts av olika internationella företag bland annat det italienska företaget BTicino för att tillverka injektionsverktyg från ABS- ljusströmbrytare av plast. Denna ledde till en ökad produktion som ligger på 1 miljon bitar/år vilket medförde produktiviteten ökning, cykeltiden minskning och produktionskostnaderna minskning. Dessutom har tillverkade detaljer hög motståndskraft mot nötning och kemisk korrosion. (Rahmati, S., 2014)
3.1.2 Powder bed fusion (PBF)
Powder bed fusion (PBF) är en additiv tillverkningsprocess där en energikälla används för att selektivt smälta eller sintra en metallpulverbädd. Beroende på typen av energikällan kan PBF grupperas i två huvudtekniker:
Selektiv lasersmältning/sintring (SLM/SLS): en laserstråle används i dessa två processer för att antingen smälta eller sintra metallpulvret. Huvudskillnaden är att sintring anses vara en partiell smältprocess, medan smältning anses vara en komplett smältprocess.
Elektronstrålesmältning (EBM): EBM har blivit ett framgångsrikt tillvägagångssätt för PBF. Till skillnad från laserbaserade system använder EB- PBF en elektronstråle för att smälta metallpulvret. (Gibson, I. et al., 2015)
Likt andra additiva tillverkningsmetoder används en tredimensionell digital modell för att bygga upp detaljen genom att applicera tunna lager av pulver på ett substrat för att få en önskad geometri. Den generella proceduren för PBF är som följande:
1. På en byggplattform fixeras ett substrat.
2. Därefter evakueras byggkammaren för elektronstrålebearbetning eller fylls med inert gas för laserbearbetning.
3. Metallpulvret distribueras på ett fixerat substrat där planas ett tunt lager till en förutbestämd tjocklek med hjälp av en utjämningsmekanism.
4. Laser- eller elektronstrålen skannar ytan i pulverbädden för att skapa en lager- för-lager detalj enligt CAD-data.
5. Ovanstående process upprepas för nästa och efterföljande lager tills detaljen är klar. (Dutta, B. et al., 2016, 25–40)
PBF kan för närvarande bearbeta en mängd olika material inklusive polymerer, metaller och keramik. Där metaller som kan bearbetas i PBF är bland annat olika typer av stål, titan och dess legeringar samt nickelbaserade legeringar och vissa aluminiumlegeringar. PBF har kapabilitet att producera komplexa delar med snäva dimensionstoleranser och grovhetstoleranser vilket medförde att denna teknik har hittat sin väg i olika industrier. Till exempel implementeras processen av den medicinska industrien för att tillverka skräddarsydda ortopediska komponenter.
Medan ur ett flygperspektiv har PBF-processen väckt ett stort intresse och används i militära och kommersiella flygplan. (Gibson, I. et al., 2015) & (Jacob, G. et al., 2016)
3.1.3 Elektronstrålesmältningen (EBM)
Elektronstrålesmältning är en pulverbaserad additiv tillverkningsmetod som byggs på användning av en elektronstråle för att smälta metallpulvret. EBM-system består av en elektronpistol med volframfilament, vakuumkammare (~ 10−4 Torr), en uppvärmd byggplattform och pulverfördelningsmekanismer som är pulverbehållare och spridare. Tryckprocessen måste ske i ett vakuum för att kollisionen mellan elektroner och gasmolekyler undvikas. Processen startas genom att pulverbehållaren fylls med det önskade metallpulvret och placeras i 3D-skrivare. När det önskade trycket uppnås i byggkammaren som måste vara inställt på cirka 0,0001 mBar avfyras elektronstrålen genom att elektronstrålepistolen värms volframtråden för att avge elektroner som accelereras under högt tryck på 60 kV och därigenom genereras en elektronstråle som har effekt på 4 kW. Elektronstrålen är fokuserad och organiserad med hjälp av ett magnetfält där två magnetfält ingår i detta system, varav det första organiserar elektronstrålen i önskad form och den andra avböjer strålen till de önskade områden.
På detta sätt uppvärmas byggplattformen till en hög temperatur och därefter kan utskriftsprocessen startas. Smältningsprocess är byggd på att elektronernas kinetiska energi omvandlas till termisk energi för att smälta metallpartiklarna som har en medelstorlek på 45–105 μm. (Yang, L., et al., 2017, 64–69)
Den generella proceduren för EBM är som följande:
1. ett substrat som detaljerna ska tillverkas på placeras och fixeras på plattformen där fördelas metallpulver jämnt på byggplattformen med hjälp av en spridare.
2. Elektronstrålen värms pulverbädden där smältavsökningen drivs av en tredimensionell datorstödd design CAD-modell som endast smälter de önskade
3. Efter det upprepas processen genom att applicera ett nytt lager av pulvret tills hela modellen är klar.
4. Därefter kommer en heliumassisterad kylningsprocess att äga rum, som varar cirka 6 timmar, beroende på delens storlek och material som används. (Yang, L., et al., 2017) & (Chang, K., 2015, 755–757)
Smältningsprocess sker i en vakuumkammare vilket leder till en ren och kontrollerad byggmiljö under tillverkningsfas. Därtill måste den fixerade detaljen och substratet hållas vid en förhöjd temperatur under hela tillverkningsfas vilket medförde en minskning i spänningar som kan uppstår i detaljen. vars syfte är att minimera kvarvarande spänningar. Dessutom måste pulverbädden hållas vanligtvis vid en mycket hög temperatur innan varje lager ska byggs där elektronstrålen fokuseras på metallpartiklar och skannar det lösa pulvret. Detta medför att bindningen samt sintringen av pulvret blir lätt och enkelt samt pulvret har bättre stabilitet för att stödja komponenten som byggs. (Gibson, I. et al., 2015)
I denna teknologi används också ett pulveråtervinningssystem för att det oanvända pulvret från de inbyggda komponenter återvinnas då 95% av pulvret kan återvinnas och återanvändas för att tillverka andra komponenter. Det oanvända och lösa pulvret stödjer detaljen där en av EBM fördelar att detaljer kan bearbetas utan behov av stödmaterial. Vilket medförs att detaljer med komplicerade geometriska former byggs utan behov av komplex femaxlig programmering för att undvika kollision (Zhang, L., et al., 2017)& (Murr, L., et al., 2011) & (Cormier, D. et al., 2004)
I nuläget finns många EBM-maskiner där det svenska företaget ARCAM har tillverkat och tillhandahållit en serie av EBM-maskiner såsom S12, A1, A2, A2XX, Q10 och Q20.
Till exempel A1 är utformat för implantattillverkning medan A2 för flyg- och försvarsindustrin där båda systemen har samma produktkvalitet. Ett EBM- systemdiagram som visas i figur 2 motsvarar ARCAM A2-systemet. (Ataee, A., et al., 2017) & (Zhang, L., et al., 2017)& (Murr, L., et al., 2011)
EBM anses vara en särskilt energieffektiv variant av AM, där elektronstråles energiöverföringseffektivitet är tio gånger högre än för laserstrålen, vilket är metoden som används av de flesta andra AM-teknikvarianter. Byggprocessen för en EBM- maskin innehåller fyra steg: systemstart, förvärmning av pulverbäddsäng, byggprocess och nedkylning av maskinen. Då processtiden blir ungefär 5 timmer medan energiförbrukning ligger på 59, 96 MJ/kg. (Cormier, D. et al., 2004)
Figur 1 schematisk beskrivning av Electron Beam Melting (Yang, L., et al., 2017)
3.1.4 Användningsområden
För närvarande är huvudsyftet med att använda EBM-teknik att tillverka defektfria komponenter med komplexa geometrier och mekaniska egenskaper. Det som utmärker EBM-process är sin snabba produktion och snabba verktygstillämpning.
Detta medfördes att tekniken tillämpas inom prototyper för flyg, kemisk industri, ortopediska implantat och proteser (Lee, J., et al., 2017)
EBM tillämpas i medicinteknik där tillverkade medicinska implantat i titan av EBM har uppfyllt patienternas behov. Ett exempel på produkter som för närvarande tillverkas av EBM är höftimplantat och kirurgiska instrument tillverkade av Ti- legeringar och Co-Cr tandimplantat. Jämfört med traditionella tillverkningsmetoder är EBM materialslöseri, tillverkningstid och tillverkningskostnader mycket lägre. När det gäller flygindustrin är EBM särskilt användbart för framställning av flyg- och rymdkomponenter med en betydande viktminskning. (Chang, K., 2015)
3.1.5 Metaller och legeringar tillgängliga för EBM-bearbetning
För närvarande stödjer EBM-maskiner många metaller såsom rent titan och dess legeringar, Ni-baserade legeringar, verktygsstål, rostfritt stål, Co-baserade legeringar, koppar, niob, beryllium och aluminium. Arbeta i vakuummiljö och med hög effekt är EBM-tekniken mer lämplig för dessa material, och deras tillämpningar har blivit mer utbredda. (Galati, M., et al., 2017)
De vanligaste EBM bearbetade metaller och legeringar är förnärvarande titan och olika titanlegeringar såsom Ti6Al4V och Ti6Al4VELI. Detta är just på grund av dess unika egenskaper bland annat hög hållfasthetsprestanda, låg vikt, korrosionsbeständighet
och korrosionsbeständighet. Dessa egenskaper har lett till en ökad användning av titan för att direkt producera prototyper för flygindustrin, marina och kemiska industrier samt ortopediska implantat och proteser. (Gong, H., et al., 2015) & (Lee, J., et al., 2017) En av legeringar som har utvecklats i syftet med att utvidga EBM-marknad är Alloy 718 som är en nickel-krombaserad legering vilket har förmågan att bibehålla mekaniska egenskaper vid höga temperaturer och används vid tillverkning av komponenter i gasturbinmotorer. (Yang, L., et al., 2017)
3.2 Jämförelse med AM-metoder
Förutom EBM och PBF finns det andra AM-metoder som skiljer sig från dessa två metoder såsom Selective Laser Melting, Binder Jetting och Direct Metal Deposition.
Dessa metoder skall presenteras och jämföras med EBM för att skillnaderna och likheterna mellan tillverkningsmetoder för tillsatser illustreras för att ge en bild av dagens utsikter för tillverkning av tillsatser.
3.2.1 Selective Laser Melting
Selektiv lasersmältning är en additiv tillverkningsmetod som utvecklades först i 1995 av Fraunhoferinstitutet för Laserteknologi ILT i Aachen, Tyskland. Denna 3D- metallprintting metod liknar EBM på det sättet att båda bearbetar pulver i en kammare och följer samma bearbetningssteg. Skillnaderna är att i SLM används en laserstråle istället för elektronstråle för att smälta metallpulvret genom att partiklar på specifika platser på en bädd av metalliskt pulver värmas upp tills den smälter helt och kammaren är fylld med ädelgas. SLM har kapabilitet att bearbeta metaller såsom titan, järn, aluminium, koppar och volfram och dess legeringar. SLM tillämpas främst inom Rapid Prototyping (RP) och har använts i industrin, men nyligen har tekniken börjat användas inom flygindustrin och medicinteknik för att direkt tillverka enklare delar och produktion i små partier. (Nematollahi, M., et al., 2019)
En till skillnad mellan dessa två tekniker är att 3D-utskrift med EBM är mycket snabbare än SLM eftersom elektronstrålens energitäthet är mycket högre än laserns vilket resulterar en snabbare produktion. Utöver detta erbjuder EBM produktion med färre defekter jämfört med delarna som tillverkar av SLM-system. Anledning till det är att EBM-kammaren arbetar i en vakuumatmosfär som anses vara en ren och kontrollerad byggmiljö, vilket säkerställs en minskad förorening under byggprocessen. Denna reducerade nivå av föroreningar är särskilt användbar vid bearbetning av reaktiva material.
En annan viktig skillnad är att elektronstrålen utmärkas för sin höga avsöknings hastigheten vilket gör att pulvret förvärmas innan det smälter. Detta medförs en minskning av värmespänningarna i tillverkade detaljer, vilket begränsar risken för sprickbildning och skapandet av spröda material. EBM är ännu inte utvecklad som SLM och den tillgängliga maskinen och kunskapsbasen i fall av EBM är begränsad.
Det finns inte många systemtillverkare för EBM, vilket förhindrar dess bredare tillämpning och forskning. (Calignano. F., et al., 2017)
Figur 4 Scheman för Selectivr Laser Melting (Nematollahi, M., et al., 2019)
3.2.2 Binder Jetting
BJ är en av AM-processerna som ursprungligen utvecklades vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i början av 1990-talet. BJ metod fungerar annorlunda än EBM där ingen pulversmältning sker utan att proceduren för BJ är som följande:
1. Pulvermaterial besprutas över byggplattformen med en rulle.
2. Skrivhuvudet placerar bindemedel för att binda pulvret mellan lager.
3. När ett lager är färdigt placeras under en elektrisk värmare för att torka bindemedlet.
4. Byggplattformen sänks av modellens lagertjocklek.
5. Ett annat lager av pulvret sprids över det föregående lagret.
6. Processen upprepas tills hela objektet har gjorts. (Gibson, I. et al., 2015)
Denna teknik har förmågan att bearbeta metaller och legeringar, såsom aluminiumbaserade, kopparbaserade, järnbaserade, nickelbaserade och koboltbaserade legeringar och keramik. (Gokuldoss, P.K., et al., 2017)
BJ skiljer sig från EBM på det sättet att BJ fungerar på att ingen smältning av pulvret sker utan att detaljen tillverkas genom att binda pulvret mellan lager med hjälp av bindemedel. Dessutom kräver Binder Jetting en efterbehandling, vilket betyder längre tillverkningstid för att få detaljer. Grova pulver kan också användas i processen, vilket avsevärt sänker kostnaden för tillverkning av mycket fina pulver. (Gokuldoss, P.K., et al., 2017)
Däremot är en fördel över EBM är att utskriftsprocessen i sig är snabbare än EBM- processer. Detta är möjligt genom att öka antalet hål munstycket som avsätter materialet och bindemedlet samt att detaljer kan bearbetas utan stödmaterial.
Dessutom förväntas delarna ha en grov mikrostruktur, eftersom delarna måste genomgå värmebehandlingar såsom härdning, sintring och glödgning när de trycks med bindemedlet. Följaktligen är de mekaniska egenskaperna hos BJG-delar inte lika
starka som de delar som produceras av EBM. Denna teknik kunde inte tillämpas inom flyg- och bilindustri just på grund av bindemedlet som används i denna process, är materialegenskaperna inte alltid lämpliga för strukturella tillämpningar för flyg- och bildelar. (Gokuldoss, P.K., et al., 2017)
Figur 2 scheman för Binder Jetting process (Gibson, I. et al., 2015)
3.2.3 Directed Energy Deposition (DED)
Directed Energy Deposition är en additiv tillverkningsmetod som är baserad på en lager-för-lager utspridning av råvara som kan antingen vara ett metallpulverflöde eller en metalltråd. Med hjälp av en fokuserad värmekälla smäls råmaterialet för att bygga upp tredimensionella föremål. På detta lager-för-lager sätt kan snabb prototypning, delreparation och produktion av metallkomponenter, smarta strukturer och funktionellt graderade material uppnås. (Shim, D. et al., 2016)
Den generella proceduren för DED är som följande:
1. Ett substrat eller befintlig del placeras på arbetsbordet.
2. Liksom PBF-processer stängs maskinkammaren och fylls med inert gas (för laserbearbetning) eller evakueras (för elektronstrålebehandling) för att minska syrenivån i kammaren till önskad nivå.
3. I början av processen fokuseras processmunstycket med en laser eller en elektronstråle på del ytan för att skapa en smältpool. Material leverans sker i form av pulver genom ett ko-axialt munstycke (för laser) eller genom en metalltråd med sidotillförsel (för elektronstråle). Munstycket rör sig med konstant hastighet och följer en förutbestämd verktygsväg skapad från CAD- data. När munstycket rör sig bort stelnar smältbadet och bildar ett metallskikt.
4. Efterföljande lager följer samma princip och bygger upp delen lager för lager tills det är klart. (Dutta, B. et al., 2016, 30–31)
Figur 4 Scheman för två DED-system (A) använder laser tillsammans med pulvermatare och (B) använder elektronstråle och trådmatning. (Sing, S.L., et al., 2020)
På samma sätt som PBF-processer används i DED-metoder en fokuserad energikälla som antingen är laser eller elektronstråle för att smälta materialet då smälts pulvret samtidigt som det sprids av ett munstycke till skillnad från EBM. Likt EBM och SLM sker tillverkningsfas i en kammare där kräver DED-elektronstrålsystem ett vakuum för att undvika oxidationsproblem (som EBM) medan DED-lasersystem kräver andra mekanism för att införa inerta gaser (som SLM). I PBF-processen används finare pulver som råmaterial och mindre laser/elektronstråle för bearbetning. Därför, jämfört med DED-processer, har PBF-tillverkade detaljer bättre ytfinish och högre delnoggrannhet. Därtill kräver nästan alla DED-tillverkade produkter någon form av bearbetning vilket anses vara en nackdel jämfört med PBF-bearbetade delar som inte behöver ytbearbetning. (Dutta, B. et al., 2016)
Som nämnde tidigare pulvret som används i DED är vanligtvis större och kräver högre energitäthet vilket leder till en snabbare designhastighet jämfört med PBF-systemet.
Detta resulterar dock dålig ytfinish, vilket kan kräva ytterligare bearbetning. En till skillnad mellan dessa två tekniker är användning av stödstrukturerna under byggfasen där som nämnts tidigare att vanligtvis stödstrukturer används i PBF-system medan används den sällan eller aldrig i DED, detta är på grund av användning av roterande designplattformar med flera axlar som oftast används för att uppnå olika funktioner.
Inte bara stödstrukturen är skillnad mellan dessa tekniker utan att ingen pulverbädd krävs i DED-systemet. (Sing, S.L. et al., 2020)
Komplexa tredimensionella geometrier kräver antingen stödmaterial eller fleraxliga deponeringshuvuden och orsaken bakom icke-användning av stödstruktur i DED- processens är dess fleraxliga avsättningsförmågan som möjliggör tillverkning av komplexa delar. Där DED har kapabilitet att bearbeta nästan vilken metall som helst inklusive titan och titanlegeringar, inconel, tantal, volfram, niob, rostfritt stål och aluminium. (Liu, R. et al., 2017)
3.3 Jämförelse med konventionella metoder
Konventionella tillverkningsmetoder har både sina fördelar och nackdelar jämfört med AM-tillverkning som har en väsentlig inverkan på produktdesign, produkttillverkning och montering. AM-teknologier har utmärkts för sin snabba prototypteknik som garanterar både pengar- och tidsbesparing under produktutveckling utan kan också användas för snabbt verktyg, direkt tillverkning och underhållning av delar. (Calignano, F. et al., 2017)
Här jämförs de konventionell tillverkning med EBM där skillnaderna skall belysas. Det unika med EBM och AM-tillverkning är just deras fördelar jämfört med konventionell tillverkning, dessa är:
Högre materialeffektivitet: i jämförelse med konventionell tillverkning har EBM nästan inget materialavfall för att som nämnde tidigare det återstående pulvret kan återvinnas eller återanvändas för att används i andra tillverkningsprocesser.
Detta leder till att EBM metod är mer ekologisk när det gäller materialspill vilket bidrar i sin tur till lägre tillverkningskostnader. (Cronskär, M. et al., 2013)
Förkortade tid mellan produktutveckling och marknadsintroduktion: en av fördelarna med EBM- processen är kapabiliteten att tillverka lågvolymprodukter med högt värde vid reducerade ledtider. Detta medförs att tiden för utveckling av en produkt och marknadsföring kan reduceras väldigt mycket (Li, Y. et al., 2017)
EBM-processen är mer avancerad än traditionell gjutningsprocess på grund av sin snabba tillverkning av prototyper för metalldelar, vilket medför en kraftig acceleration av produktdesign- och utvecklingshastigheten. Dessutom kan EBM tillverka komplexa produkter utan defekter, särskilt vid produktion av porösa strukturer (Zhang, L., et al., 2017)
Trots att EBM och andra AM-metoder har potentiella fördelar jämfört med konventionell tillverkningsteknik uppvisar EBM fortfarande flera processbrister; där erbjuder AM-maskiner produktionsflexibilitet men är fortfarande en mycket dyr investering jämfört med traditionella tillverkningsmaskiner. Därför är den konventionella tillverkningsmetoden fortfarande ett uppenbart val för massproduktion eftersom tillverkningskostnaden för varje detalj minskar kraftigt jämfört med AM-tillverkningen. AM är kostnadseffektivt för lågvolymsats tillverkning med fortsatt centraliserad tillverkning snarare än distribuerad tillverkning. (Pereira, T. et al., 2019)
4. Resultat
I detta kapitel skall resultaten och slutsatsen för studien presenterats. Med utgångspunkt ifrån den teori som presenterats i avsnittet litteraturstudie. Där varje problemformulering har besvarats med hjälp av analysen som innehåller information från teoretisk referensram.
Hur fungerar Electron Beam Meltin metod, vilka är tillämpningsområde och vilka material är tillgängliga idag?
Det som kan utvinnas av rapporten att elektronstrålesmältning är en RP-process som används för direktformning av friformstillvekning där har tekniken förmågan att tillverka komplexa metalldelar. På ett lager-för-lager sätt bygger EBM-systemet en detalj från botten uppåt där en 4 kW elektronstråle används för att selektivt smälta specifika område på pulverbädden. Likt andra AM-processer skannar elektronstrålen ytan av pulvret baserat på en CAD-modell för att lager-för-lager detalj skapas där processen fortsätter tills det sista lagret av delen är byggt. Den minsta lager tjocklek som kan nås ligger på 0,05 mm och den har en tolerans på ± 0,4 mm. Strukturen med reaktiva material kan byggas i en EBM-maskin för att byggprocessen sker under vakuummiljö för att undvika oxidation.
EBM erbjuder innovativa lösningar för tillverkning av prototyper, små serier och till och med stöddelar med 3D-utskrift. Där har EBM tillämpas först och främst i medicinska industrier för att tillverka höftimplantat och kirurgiska instrument tillverkade av Ti-legeringar samt tandimplantat av Co-Cr. Dessutom har EBM hittat sin väg i flygindustri där Aerospace är en innovativ industri som letar alltid efter sätt att göra delar lättare, snabbare och effektivare. EBM-processen har denna kapabilitet att producera lätta komponenter. Dessutom EBM gör det också möjligt att tillverka ytterligare sprickbenägna material.
Många forskningar utfördes för att utvidga listan över material som kan användas i EBM. Dessutom hade Arcam lanserat nya EBM-maskiner på marknad för att utväxa och utvidga användningen av EBM till fler industrisektorer. Teknologin kan bearbeta olika typ av material bland annat rent titan och dess legeringar, Ni-baserade legeringar, verktygsstål, rostfritt stål, Co-baserade legeringar, koppar och aluminium.
Hittills är de viktigaste legeringar som används i elektronstrålesmältningsprocessen;
Ti6Al4VELI, Ti6Al4V och Alloy 715.
I jämförelse med andra AM-metoder, vilka för- och nackdelar har EBM?
I jämförelse med andra AM metoder har EBM visat så många unika egenskaper just på grund av olika anledningar; EBM har antingen den lägst tillverkningstid, tillverkningskostnader eller kapabiliteten att tillverka detaljer med bästa mekaniska egenskaper. EBM-process har jämförts med andra AM tillverkningsmetoder såsom selektiv lasersmältning, Binder Jetting och Directed Energy Deposition för att undersöka EBM svagheter och styrkor.
Både SLM och EBM klassificeras som pulverbäddsfusions tekniker där baserar dessa två teknologier på användning av termisk energi för att selektivt smälta områden i pulverbädden. Huvudskillnaden är att SLM använder sig utav en laserstråle istället för elektronstråle för smältning av metallpulvret i en kammare som är fylld med ädelgas.
Dessutom är processen i sig snabbare än SLM och erbjuder produktion med färre defekter. Däremot är SLM en bättre val än EBM när det kommer till materialtillgänglighet för SLM har förmåga att bearbeta många olika metaller vilket resulterar att denna teknik är mer använd i dagens industrier. Så kan man säga att EBM är bättre än SLM när det kommer till tid, produktkvalitet och mekaniska egenskaper medan är sämre än SLM när det kommer till materialtillgång och antal forskningar och utvecklingar av själva processen.
Binder Jetting är en annan AM tillverkningsmetod som skiljer sig procedurmässigt från EBM där BJ fungerar på att pulverbädden besprutas med bindemedel för att bygga detaljen på lager för lager sätt enligt en CAD-modell. Tillverkade detaljer med BJ måste gå igenom en efterbehandling vilket medför längre tillverkningstider och självklart högre tillverkningskostnader jämfört med EBM. Däremot är en fördel över EBM att bearbetningsprocessen är snabbare vilket är just på grund av två anledningar;
finns inget behov att uppvärma pulverbädden eller substrat samt är det möjligt att öka antalet hål i munstycket som besprutar bindemedel. Grovpulverstorlek är också lämplig för denna metod, eftersom själva processen inte smälter pulvret, så produktionstiden i maskinen kan minskas. Det betyder också att det inte finns någon spänning i detaljerna som kan orsaka sprickor som ett resultat av smältningsprocess i EBM. Sammantaget anses Binder Jetting vara den mest kostnadseffektiva AM- metoden, men detaljerna som produceras med denna metod är vanligtvis svagare än EBM-detaljer när det gäller mekaniska egenskaper och grövre ytfinheter.
Directed Energy Deposition teknologi kan klassificeras i tre grupper baserat på energikällan som används för att smälta materialet; laserbaserade DED-system, elektronstrålebaserade DED-system och plasma DED-system. Denna teknik fungerar annorlunda än andra AM-metoder såsom EBM, SLM och BJ då DED-tekniken är baserad på en lager-för-lager utspridning av metallen som kan antingen vara ett metallpulver eller en metalltråd med hjälp av en fokuserad värmekälla för att smälta råmaterialet och bygga upp tredimensionella föremål. På samma sätt som EBM är möjligt att tillverka delar med graderad porositet då DED avsätter materialet ko-axialt ur ett munstycke. Denna teknik gör det möjligt att leverera flera material med olika egenskaper genom munstycket, som selektivt kan deponeras på delen. Denna förmåga gör DED till en lämplig kandidat för tillverkning av specialdelar för flygindustrin.
Huvudbegränsningen för DED-processen som anses vara den största skillnaden mellan DED och EBM är att de för de flesta DED-processer är det svårt att uppnå en noggrannhet som är bättre än 0,25 mm och en ytjämnhet mindre än 25 μm vilket är pga. att DED distribuerar pulvret ko-axialt med dess energikällan. För att få högre noggrannhet krävs en mindre strålstorlek och avsättningshastighet. Den långsamma bygghastigheten är en annan begränsning där byggtiden för dessa processer kan vara mycket lång.
I jämförelse med konventionella metoder, vilka för- och nackdelar har EBM?
För att AM-tillverkning ska kunna konkurrera med de traditionella tillverkningsmetoder har teknologin i sig utvecklats för att producera högkvalitativa detaljer, där har tekniken använts i stor utsträckning inom olika industrin samt fler tillgängliga metaller och legeringar har använts. Denna medförs att det senaste decenniet har varit händelserika för EBM- och AM-tillverkning.
AM-tillverkningsmetoder har båda sina fördelar och nackdelar jämfört med konventionella tillverkningsmetoder. Där skillnader mellan dessa två tillverkningsmetoder har studerats för att illustrera EBM styrkor och svagheter för vidare användning av denna metod inom följande områden tillverkning.
Jämfört med traditionella tillverkningsmetoder är det uppenbart att även fast EBM har flera fördelar, kan EBM för närvarande inte konkurrera de konventionella tillverkningsmetoder pga. mängden av tillgängliga material är fortfarande begränsade i jämförelse med konventionell tillverkning. Även fast det är relativt billigt att använda EBM-maskiner för produktion av enstaka eller små satser blir det för dyrt när produktions skalan ska utvidgas. Därför används EBM-tillverkning för närvarande för ändamål som implantat och speciella applikationer.
EBM har potentiella fördelar jämfört med traditionella tillverkningsmetoder såsom minskat materialspill där oanvända pulver kan återvinnas och återanvändas vilket medför lägre tillverkningskostnader samt ekologisk fördelaktig. Däremot har EBM inte varit lika populär i branschen för att det är fortfarande dyrt att använda EBM jämfört med konventionella tillverkningsmetoder som är fortfarande det självklara valet för följande ändamål: massproduktion, för jämfört med AM-tillverkning kommer tillverkningskostnaderna för varje detalj att minskas kraftigt. Detta beror på att hårdvaran fortfarande är dyr och tillverkningstiden i många fall är längre än konventionell tillverkning.
En till fördel är minskat leveranstid där är EBM i själv processen en snabb process där tiden mellan produktutveckling och marknadsintroduktion är kort jämfört med konventionella tillverkningsmetoder. Dessutom har EBM förmågan att tillverka detaljer med samma mekaniska egenskaper som konventionell tillverkning. Däremot är material med EBM fortfarande begränsad tillverkning. erbjuder EBM finns det fortfarande många viktiga processfel i EBM-komponenter, såsom process stabilitet, lokala defekter och kvalitetsförändringar.
Det finns emellertid fortfarande problem på grund av uppträdande av defekter såsom inre spänning, oönskad porositet och sprickbildning. Detta medförde att EBM parametrar måste optimeras ordentligt och kontrolleras för specifika metaller och legeringar för att kunna producera en högkvalitetproduktion. Parametrar som måste beaktas är bland annat skanningshastighet, byggnadstemperatur, ingångsspänningen, elektronstråleshastighet, strålström och skikttjocklek. Mycket forskning har utförts för att optimera EBM-bearbetningsparametrar för metaller och legeringar såsom titanlegeringar.
Därför är det viktigt att förstå effekterna av många sammanhängande bearbetningsparametrar för att högdensitets- och högkvalitativa komponenter produceras för att den nuvarande EBM-tekniken har en uppsättning lämpliga
bearbetningsparametrar och kan producera högkvalitativa produkter med komplexa strukturer, helt täta delar och utmärkta mekaniska egenskaper.
5. Slutsatser
Slutsatserna som kan dras ur detta arbete med hänseende på de mål som definierades i det första kapitlet i denna rapport är som följande:
Presentera Electron Beam Melting i detalj:
EBM är en metod som faller under pulverbäddsfusions teknologi därför har PBF-process förklarats på den tekniska nivån där metoden har introducerat steg för steg. Därefter har EBM process introducerats stegvist där EBM-system förklarats och processens styrkor och svagheter har rapporterats. Metodens användningsområde och tillgängliga material har också introducerats i denna rapport. EBM som hade väckt en stor uppmärksamhet på grund av dess förmåga att producera metalldelar. PBF- och EBM-processer är endast avsedd för industriell användning och drivs huvudsakligen av aktörer inom fordons-, flyg- och medicinsektor. Processer automatiseras och styrs av en digital 3D-modell, som bygger upp detaljer genom lager-för-lager sätt. Vissa forskningar har utförts för att utvidga användning av EBM då fler EBM-maskiner tillverkades för att uppfylla marknadsbehov och vissa legeringar har utvecklats för att vara lämpliga för EBM- bearbetning.
Jämföra Electron Beam Melting med andra metoder inom additiv tillverkning såsom Selective Laser Melting, Binder Jetting och Directed Energy Deposition med avseende på kostnader, tid, material och användningsområde:
Det som utmärker EBM är just dess fördelar över AM-tillverkning. Dessa är: EBM har antingen den lägsta tillverkningstiden, den lägsta tillverkningskostnaden eller förmågan att tillverka delar med de bästa mekaniska egenskaperna. Denna slutsats har dragit efter en jämförelse mellan EBM, SLM, BJ och DED där varje metod introduceras kort och jämförs med EBM.
Selektiv lasersmältning är snarlik EBM däremot flera forskningar har utförts inom SLM just på grund av att SLM bearbetar många material vilket medförs att SLM har det mest testade och tillgängliga material för bearbetning av alla AM-metoder.
Binder Jetting som skiljer sig procedurmässigt från EBM har en unik fördel över EBM där antalet hål munstycket som sprutar bindemedel kan ökas vilket medförs snabbare tillverkningsprocess däremot BJ- tillverkade detaljer har svagare mekaniska egenskaper.
Directed Energy Deposition klassificeras i tre grupper enligt energikällan som används som kan vara antingen laser, elektronstråle eller plasma. Dessa teknologier har långa byggtider jämfört med EBM och tillverkade detaljer har dålig noggrannhet.
jämföra Electron Beam Melting med konventionell tillverkning i generella drag utifrån aspekterna ekonomi, ekologi och teknik:
EBM har jämförts med konventionell tillverkning där det har fastställts att EBM, även fast sin kapabilitet att tillverka detaljer med jämngod nivå som vid konventionell tillverkning, kan fortfarande inte konkurrera i nuläget på grund av ett antal tekniska och ekonomiska faktorer.
Additivtillverkning är också en mer miljövänlig produktionsmetod än traditionell tillverkning. Detta beror främst på att du använder nästan 80% mindre material då finns det nästan ingenting går till spillo. En annan fördel är att EBM och AM kännetecknas av sin flexibilitet då tiden mellan produktutveckling enligt marknadsbehov och produktmarknadsföring är väldigt kort jämfört med konventionella tillverkning.
6. Diskussion
Denna rapport fokuserade främst på den tekniska aspekten av EBM då ledde rapporten till en bättre förståelse för både additiva tillverkningsmetoder och EBM.
Genom att studera olika metoder inom AM-processer, sätta de i kontrast mot
Electron Beam Melting samt jämfört EBM med konventionella tillverkningsmetoder kan läsarna ha en tydligare förståelse för dessa tillverkningsprocesser. De valda källorna är relevanta vetenskapliga artiklarna, tidigare studier och böcker som bland annat studerar EBM-, SLM-, PBF-, BJ- och DED-processer, varav vissa är äldre källor, medan andra är relativt nya, och har visat att de flesta källor faktiskt är överens om samma informationer.
Tidigare studier inom Additiv tillverkning och EBM har nått samma resultat, att denna typ av tillverkningsprocess kan sänka kostnaderna, förkorta leveranstiderna, vara mer miljövänlig och förkorta transporten. Trots dessa positiva fördelar finns det fortfarande många kvalitetsproblem som kräver noggrann inspektion av alla utskrifter.
Additiv tillverkning och specifikt EBM-process har börjat användas mer och mer under de senaste åren men det är fortfarande inte vanligt tillverkningsprocess jämfört med konventionella tillverkningsprocesser på grund just av begräsningar bland annat materialval, kostnader och produktionsvolym. Då anledningen till att AM har använts under de senaste trettio åren kan bero på att det finns mindre forskning om denna tillverkningsprocess jämfört med traditionella tillverkningsprocesser som gjutning, svarvning och fräsning.
Referenser
Chang, K. 2015. E-Design Computer-Aided Engineering Design
Cronskär, M. et al., 2013. Production of customized hip stem prostheses – a comparison between conventional machining and electron beam melting (EBM) Dutta, B. et al., 2109. Science, Technology and Applications of Metals in Additive Manufacturing
Gokuldoss, P.K. et al., 2017. Additive Manufacturin Processes: Selective Laser Melting, Electron Beam Melting and Binder Jetting—Selection Guidelines
Galati, M. et al., 2018. A literature review of powder-based electron beam melting focusing on numerical simulations
Lee, J. et al., 2017. Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials Murr, L.E. et al., 2012. Metal Fabrication by Additive Manufacturing Using Laser and Electron Beam Melting Technologies
Pereira, T. et al., 2019. A comparison of traditional manufacturing vs additive manufacturing, the best method for the job
Zhang, L. et al., 2020. Additive Manufacturing of Titanium Alloys
Yang, L. et al., 2017. Additive Manufacturing of Metals: The Technology, Materials, Design and Production.
Gong, H. et al., 2015. Influence of defects on mechanical properties of Ti–6Al–4 V components produced by selective laser melting and electron beam melting
Nematollahi, M. et al., 2019. Metals for Biomedical Devices Sing, S.L. et al., 2020. Rapid Prototyping of Biomaterials.
Shim, D. et al., 2016. Optics & Laser Technology.
Gibson, I. et al., 2021. Additive Manufacturing Technologies
Zhang, L. et al., 2017. Additive Manufacturing of Titanium Alloys by Electron Beam Melting: A Review
Jacob, G. et al., 2016. Measurement of powder bed density in powder bed fusion additive manufacturing processes
Calignano, F. et al., 2017. Overview on Additive Manufacturing Technologies Rahmati, S. 2014. Comprehensive Materials Processing
Ataee, A. et al., 2017. Metallic Foam Bone
Cormier, D. et al., 2004. Characterization of H13 steel produced via electron beam melting
