Fusão por feixe de elétrons (EBM):impressão 3D de metal rápida com qualidade CNC

A impressão 3D de metal transformou a forma como ferramentas e peças metálicas complexas são feitas. A fusão por feixe de elétrons, ou EBM, é uma boa alternativa à usinagem CNC e fundição de metal devido à sua capacidade de imprimir peças com a durabilidade e resistência dos metais, mas nas velocidades da impressão 3D.

EBM é um processo de fusão em leito de pó semelhante ao SLM (fusão seletiva a laser) e SLS (sinterização seletiva a laser), em que cada camada fina de pó metálico é depositada em um leito aquecido e então derretida ou sinterizada no lugar. No entanto, o EBM difere desses processos porque a fonte de energia que funde o pó é um feixe de elétrons em vez de um feixe de laser, e o processo ocorre sob vácuo em vez de à pressão atmosférica. As ligas de cromo-cobalto e titânio são dois dos materiais mais comumente usados ​​na impressão 3D EBM.

A história da fusão por feixe de elétrons remonta a 1993, quando seus princípios foram patenteados pela primeira vez pela empresa Arcam em colaboração com a Universidade de Tecnologia Chalmers em Gotemburgo, Suécia. Seu objetivo era criar objetos 3D, camada por camada, fundindo pós metálicos eletricamente condutores com um feixe de elétrons. Em 1997, a Arcam foi reorganizada em Arcam AB, que continuou a desenvolver e comercializar o processo de impressão 3D EBM.

Neste artigo, nos aprofundamos na fusão por feixe de elétrons e discutimos tudo, desde o que é, até suas vantagens e desvantagens, e suas semelhanças e diferenças em relação a outros processos de impressão 3D.

O que é fusão por feixe de elétrons (EBM)?

A fusão por feixe de elétrons é um processo de impressão 3D que usa pós metálicos eletricamente condutores e feixes de elétrons para produzir peças camada por camada. Para que o processo funcione, deve ser criado um vácuo de cerca de 0,0001 mbar na câmara de impressão. Na ausência de vácuo, os elétrons de alta energia colidem com mais frequência com as moléculas do gás, roubando do feixe a energia necessária para completar o processo de impressão. Uma vez obtido o vácuo, a plataforma de construção é aquecida a temperaturas extremamente altas (em torno de 600-1000°C), e o pó metálico é depositado com precisão para formar a atual camada transversal da peça a ser impressa. Nesse ponto, o feixe de elétrons se move meticulosamente pela plataforma de construção e usa temperaturas ainda mais altas para derreter e fundir seletivamente a nova camada de pó com as camadas previamente impressas. Depois que uma camada é concluída, a plataforma de construção diminui em uma quantidade equivalente a uma camada. Este processo se repete até que toda a peça seja impressa.

Diagrama de fusão por feixe de elétrons

Qual é a história da impressão EBM?

A tecnologia de feixe de elétrons remonta a 1869, quando Johann Wilhelm Hittorf e William Crookes fizeram experiências com raios catódicos (outro termo para feixes de elétrons) em gases para fundir metais. Seus experimentos levaram a uma série de descobertas. No entanto, foi somente em 1952 que o Dr. Karl-Heinz Steigerwald desenvolveu os primeiros processos práticos de feixe de elétrons para uso comercial. Naquela época, os feixes de elétrons eram usados ​​principalmente para aplicações de soldagem. Mais de 40 anos depois, em 1993, os princípios e a teoria da EBM foram patenteados pela primeira vez pela empresa sueca Arcam. Isto foi possível através da colaboração com a Universidade de Tecnologia Chalmers em Gotemburgo, Suécia. Em 1997, a empresa foi reorganizada em Arcam AB à medida que continuava a desenvolver e comercializar o processo de impressão 3D EBM. A Arcam AB foi adquirida pela GE em 2016 e integrada à GE Additive.

Qual é o propósito da fusão por feixe de elétrons?

O objetivo da fusão por feixe de elétrons é fabricar peças metálicas por impressão 3D (fabricação aditiva). Mais precisamente, a fusão por feixe de elétrons é um método de construção de um componente metálico fundindo padrões específicos de material, uma camada de cada vez. Existem muitas abordagens diferentes para a fabricação aditiva, mas o objetivo específico da EBM é fabricar usando metais com alto ponto de fusão. Sua aplicação é principalmente na construção de peças complexas e intrincadas para as áreas aeroespacial e médica.

Qual é a importância da fusão por feixe de elétrons?

A importância da fusão por feixe de elétrons é que ela permite o uso de metais como titânio e aço para ferramentas de alta liga em aplicações de impressão 3D. A EBM abre, portanto, novas possibilidades para componentes que podem ser fabricados. A manufatura aditiva permite a construção de geometrias que antes eram impossíveis, principalmente peças com componentes internos complexos. Um dos benefícios disso é que vários componentes podem ser fabricados como um único componente com manufatura aditiva, simplificando a montagem. No entanto, a fabricação aditiva tem sido desenvolvida principalmente com materiais termoplásticos, pois são relativamente baratos e possuem baixos pontos de fusão. Isto limita severamente a aplicação útil de peças impressas em 3D. A importância da fusão por feixe de elétrons é que ela pode fabricar peças impressas em 3D a partir de metais como titânio e ligas de níquel. Metais de alto ponto de fusão, com sua resistência, biocompatibilidade e resistência à corrosão, abrem a gama de aplicações que podem se beneficiar da fabricação aditiva.

Como a fusão por feixe de elétrons difere dos métodos tradicionais de fabricação?

A fusão por feixe de elétrons difere dos métodos tradicionais de fabricação, pois é um método de fabricação aditiva. Isso significa que o EBM é usado para fabricar adicionando sucessivamente material (em um padrão específico) ao componente que está sendo construído. Isto é fundamentalmente diferente dos métodos de fabricação tradicionais, que começam com um bloco de metal e removem o material para atingir sua forma final (ou seja, fresagem e usinagem) ou usam moldes para fundir o metal fundido em um formato particular e predeterminado. Esses métodos normalmente têm baixa eficiência de material (uma alta porcentagem de material reprocessado) e têm um longo prazo de entrega com custos de ferramentas associados. Com o EBM, um componente pode ser fabricado diretamente a partir de um projeto digital e sem desperdício de material. No entanto, ainda é uma tecnologia jovem e, portanto, os equipamentos e materiais ainda são relativamente caros. Espera-se que esses custos diminuam à medida que a tecnologia amadurece.

Para que serve a fusão por feixe de elétrons?

A impressão 3D por fusão por feixe de elétrons é usada para fabricação de pequenos lotes e verificação de prova de conceito de peças com geometrias complexas. Os sistemas EBM e os pós usados ​​para impressão são caros, portanto o processo raramente é usado para produção em massa. A EBM produz peças metálicas de alta resistência, que são usadas principalmente nas indústrias aeroespacial, automobilística e médica. As peças impressas em EBM são usadas em peças de alto desempenho, como pás de turbinas, componentes de motores, implantes médicos e próteses.

A que se assemelha o derretimento por feixe de elétrons?

A fusão por feixe de elétrons é semelhante a outros processos de impressão 3D de fusão em leito de pó, como a fusão seletiva a laser (SLM)  e sinterização seletiva a laser (SLS). EBM utiliza um feixe de elétrons para derreter e fundir seletivamente pós metálicos para formar peças camada por camada. No SLM, um laser derrete e funde seletivamente pós metálicos em uma plataforma de construção aquecida. SLS é um processo quase idêntico; no entanto, os pós poliméricos em vez dos pós metálicos são sinterizados seletivamente e fundidos por um laser.

O EBM difere desses dois processos no uso de um feixe de elétrons para criar peças em vez de um laser, na necessidade de vácuo para imprimir as peças e na necessidade de temperaturas mais altas da plataforma de construção.

Como funciona a fusão por feixe de elétrons?

A impressão 3D EBM é possível graças a um filamento de tungstênio que é aquecido no vácuo para criar o feixe de elétrons. Uma vez obtido o vácuo, o feixe é criado e os pós metálicos são depositados na bandeja de construção e a impressão pode começar. As etapas para produzir uma peça impressa em 3D EBM são descritas abaixo:

1. O pó metálico é depositado na plataforma de construção para formar a atual camada transversal da peça a ser impressa.
2. A pressão da câmara da impressora 3D é reduzida para cerca de 0,0001 mbar.
3. Quando o nível de vácuo necessário é obtido, o feixe de elétrons é ligado e aquece toda a plataforma de construção até a temperatura necessária (600-1000°C).
4. Depois que a plataforma de construção é aquecida, o feixe de elétrons se move precisamente para a plataforma de construção para derreter e fundir as partículas de pó metálico em temperaturas ainda mais altas.
5. Quando uma camada é concluída, a plataforma de construção desce a uma altura equivalente a uma camada.
6. Uma nova camada de pó é depositada e o processo se repete até que toda a peça seja impressa.
7. As peças são deixadas esfriar (geralmente durante a noite) antes de serem removidas da impressora.
8. Após o resfriamento das peças, o pó semi-sinterizado residual e as estruturas de suporte devem ser removidos.

Quais são os componentes principais de uma máquina de fusão por feixe de elétrons?

A seguir estão os componentes principais de uma máquina de fusão por feixe de elétrons:

1. Pistola de feixe de elétrons: Esta é a fonte de energia para o derretimento. O feixe é criado a partir de um filamento de tungstênio, mas a arma também inclui bobinas de foco e deflexão para direcioná-lo para locais precisos na área de construção para fusão.
2. Câmara de vácuo (construção): O processo de fabricação ocorre dentro da câmara de vácuo, na qual o vácuo é mantido para evitar a oxidação do material.
3. Funil de Pó: O material em pó é mantido dentro de um funil de pó, de onde é dosado para fusão.
4. Rolo de Pó: O rolo de pó se move pela área de construção para espalhar uniformemente uma camada de pó. O rolo, portanto, se move pela área de construção após cada camada ser derretida, para se preparar para a próxima camada a ser derretida.
5. Construir plataforma: A plataforma de construção é o suporte para o componente construído sucessivamente. A plataforma desce em pequenos incrementos, de modo que a borda superior do componente fique na altura certa para a formação da próxima camada de pó.

Quão precisa é a fusão do feixe de elétrons?

A impressão EBM é geralmente menos precisa do que a impressão SLM. Isso ocorre porque, no SLM, os pós metálicos usados ​​são normalmente mais finos e as camadas de construção são normalmente mais finas do que no EBM. As camadas mais espessas nas peças impressas em EBM podem resultar em acabamentos superficiais mais ásperos. Portanto, o pós-processamento pode ser necessário para peças impressas em EBM para obter as tolerâncias e acabamentos de superfície desejados.

Quais materiais podem ser usados na fusão por feixe de elétrons?

Apenas uma gama limitada de metais pode ser usada na EBM. Ligas de titânio e cromo-cobalto são dois materiais comumente usados. Certos pós de aço e Inconel 718 também podem ser usados. Como a impressão 3D por fusão por feixe de elétrons requer materiais eletricamente condutores para construir peças, materiais poliméricos e cerâmicos não podem ser usados.

A fusão por feixe de elétrons pode ser usada em plásticos?

Não, a fusão por feixe de elétrons não pode ser usada em materiais plásticos. A grande maioria dos plásticos não consegue conduzir eletricidade e, portanto, não consegue atrair um feixe de elétrons. Além disso, as temperaturas alcançadas na fusão por feixe de elétrons excedem em muito o ponto de fusão da maioria dos plásticos, o que causaria carbonização em vez de fusão.

A fusão por feixe de elétrons pode ser usada em cerâmica?

Não, a fusão por feixe de elétrons não pode ser usada em cerâmicas típicas. Para atrair o feixe de elétrons, o material que recebe o feixe precisa ser eletricamente condutor. Isto geralmente limita a tecnologia a materiais metálicos, e a maioria das cerâmicas não são eletricamente condutoras. Embora algumas cerâmicas projetadas sejam condutoras, nenhuma delas foi desenvolvida atualmente para uso com EBM. 

Quais são as vantagens da impressão por fusão por feixe de elétrons?

As vantagens da impressão 3D EBM são:

1. A EBM imprime peças de alta densidade com boas propriedades mecânicas.
2. O EBM pode imprimir peças frágeis que de outra forma não poderiam ser produzidas usando a impressão SLM devido ao aumento das temperaturas de impressão no EBM.
3. O pó não utilizado pode ser reciclado e usado em trabalhos de impressão posteriores, minimizando efetivamente o desperdício e reduzindo custos.
4. Os feixes de elétrons usados no EBM são mais poderosos que os feixes de laser usados no SLM porque o uso de vácuo garante que nenhuma molécula estranha possa interferir na impressão. Esse nível de energia mais alto leva a velocidades de impressão mais rápidas para EBM em comparação com SLM.
5. A EBM pode produzir peças de alta qualidade comparáveis aos métodos de fabricação tradicionais, como fundição ou usinagem CNC.

Quais são as desvantagens da impressão por fusão por feixe de elétrons?

As desvantagens da impressão 3D EBM são:

1. EBM pode ser um processo excepcionalmente caro devido à tecnologia de feixe de elétrons e aos pós metálicos utilizados.
2. Apenas um grupo limitado de metais pode ser impresso usando o processo EBM.
3. As peças impressas em EBM tendem a ter menor precisão dimensional em comparação com as peças impressas em SLM devido à diferença no tamanho das partículas de pó e na altura da camada impressa.

Quais desafios o derretimento por feixe de elétrons enfrenta?

EBM é um método de fabricação muito interessante e promissor. No entanto, existem várias limitações com a tecnologia atual, que limitam a sua utilização. Por um lado, o EBM só é aprovado para uso com um número limitado de materiais. Mais materiais em pó e classes adequadas para uso com EBM permitirão atender um mercado mais amplo. 

Outra limitação da tecnologia é que ela utiliza equipamentos bastante complexos. A maneira como o material em pó é manuseado dentro da máquina e espalhado uniformemente pela superfície de construção de forma consistente por centenas de camadas – isso requer maquinário mais complicado do que outros tipos de fabricação aditiva. O próprio feixe de elétrons também é uma fonte de energia complexa.

Esses aspectos se combinam para formar outra limitação da EBM – ainda é uma técnica de fabricação cara. Portanto, possui um conjunto mais restrito de casos de uso econômicos, como componentes de alto valor ou feitos sob medida.

Qual é o fluxo do processo de fabricação de uma peça usando fusão por feixe de elétrons?

O primeiro passo na fabricação usando o processo de fusão por feixe de elétrons é ter um modelo eletrônico 3D. Este modelo é então processado por um software de “fatiamento”, para reduzir o componente 3D em camadas individuais para serem impressas uma de cada vez. O arquivo 3D fatiado é então enviado para a máquina EBM.

Na máquina, a primeira parte do processo é carregar o material em pó para fabricar. A máquina criará então um vácuo na câmara de construção. Este vácuo é necessário para garantir que os elétrons no feixe de elétrons não interajam com nenhuma partícula de gás, bem como para garantir que o metal fundido não oxide. 

Assim que a fabricação começa, uma fina camada de pó é espalhada pela área de construção. Este pó é primeiro pré-aquecido e, em seguida, o feixe de elétrons é usado para fundir o pó. O feixe de elétrons segue um caminho específico para derreter o pó apenas nas áreas necessárias para solidificar aquela camada do componente que está sendo construído. Assim que a camada estiver concluída, a placa de construção (e o componente) é abaixada marginalmente e uma nova camada de pó fresco é espalhada por cima dela. Este pó é pré-aquecido e depois derretido pelo feixe de elétrons para criar a próxima camada. Uma vez totalmente fabricada a peça, camada por camada, ela é retirada da câmara de construção e o excesso de pó não derretido é retirado.

Quais são as temperaturas necessárias para o MBE?

A parte de fusão do processo de impressão 3D EBM pode exigir temperaturas superiores a 2.000 ℃ para fundir os materiais de alto ponto de fusão normalmente usados em projetos de impressão EBM, como o titânio. As ligas de tungstênio podem exigir fusão a mais de 3.000 ℃.

Até mesmo a fase de pré-aquecimento da impressão EBM exige o aquecimento da plataforma de construção a 600-1000°C. O pré-aquecimento da plataforma de construção a uma temperatura elevada minimiza as tensões residuais na peça impressa, resultando em melhores propriedades mecânicas. No entanto, uma temperatura mais alta da plataforma de construção requer uma quantidade adequada de suporte para evitar deformações das saliências.

Os suportes ajudam a conduzir o calor para longe da peça e para dentro da plataforma de construção, reduzindo efetivamente as tensões térmicas em toda a peça.

Por que o processo MBE é realizado no vácuo?

O processo EBM é realizado em vácuo para reduzir tensões residuais nas peças impressas e evitar a oxidação nas peças impressas devido ao aumento da temperatura. Se não houver vácuo, os elétrons dentro do feixe podem colidir com moléculas presentes no ar.
Isso fará com que os elétrons colidam com mais frequência com as moléculas do gás, roubando do feixe a energia necessária para completar o processo de impressão.
Na prática normal, o aquecimento de metais a altas temperaturas como as encontradas na impressão EBM pode levar ao aumento da oxidação, o que torna o produto final quebradiço. No entanto, na EBM, a impressão dentro de uma câmara de vácuo praticamente elimina a oxidação e a falta de ductilidade e resistência que ela pode causar.

Que tipos de produtos são comumente fabricados usando fusão por feixe de elétrons?

A fusão por feixe de elétrons é comumente usada para fabricar produtos metálicos para aplicações especializadas, como pás de turbinas para motores a jato ou componentes personalizados de turbocompressores para automobilismo. Esses tipos de produtos são fabricados desta forma, pois podem se beneficiar das capacidades da EBM de fabricar peças complexas com materiais não adequados para fundição típica. O EBM também é usado para imprimir em 3D componentes personalizados de titânio (biocompatíveis) que são usados ​​para implantes e próteses na indústria médica.

Quais indústrias usam predominantemente a tecnologia de fusão por feixe de elétrons?

A tecnologia de fusão por feixe de elétrons é normalmente usada em indústrias que exigem componentes especializados e de alto desempenho, como:

1. Aeroespacial: O EBM é usado para construir pás de turbinas para motores a jato e outros componentes críticos na indústria aeroespacial.
2. Médico: Os implantes de titânio são fabricados pela EBM para a indústria médica, devido à capacidade da fabricação aditiva de criar geometrias personalizadas para atender pacientes individuais.
3. Automobilismo e automobilismo: Peças personalizadas de alto desempenho são fabricadas a partir de metais usando EBM, juntamente com um prazo de desenvolvimento mais rápido do que os métodos de fabricação tradicionais.

Quais são as aplicações da fusão por feixe de elétrons?

As aplicações de fusão por feixe de elétrons concentram-se em peças especializadas fabricadas a partir de metais de alto valor, como titânio ou ligas de níquel. Portanto, as aplicações do EBM são principalmente na indústria aeroespacial, para itens como pás de turbinas de motores a jato, ou na indústria automobilística, para componentes personalizados de turboalimentadores. O fato de o titânio (que é biocompatível) poder ser impresso em 3D pela EBM também significa que ele tem aplicações na área médica, principalmente na ortopedia para próteses como próteses de quadril.

Como o derretimento do feixe de elétrons impactou a indústria aeroespacial?

A fabricação de feixes de elétrons impactou a indústria aeroespacial ao permitir a fabricação de componentes novos e mais leves com novos materiais. O processo de fabricação do EBM é fundamentalmente diferente do processo tradicional de fundição. A construção de componentes camada por camada permite a construção de diferentes geometrias e a utilização de diferentes materiais (como alumineto de titânio). Um exemplo é a capacidade de fabricar pás de turbinas mais leves para motores a jato, o que proporciona economia de combustível devido ao peso reduzido. O EBM também permite alterações no projeto entre unidades, das quais a fundição é incapaz.

Existem aplicações médicas para a tecnologia de fusão por feixe de elétrons (EBM)?

Sim, existem aplicações médicas para fusão por feixe de elétrons. As ligas de titânio são um material comum usado em EBM, e o titânio também é comum em implantes médicos devido à sua biocompatibilidade e resistência. A EBM é aplicada principalmente na ortopedia, na qual são comuns componentes impressos em 3D, como articulações do quadril.

A fusão por feixe de elétrons (EBM) é usada na fabricação de componentes de motores?

Sim, a fusão por feixe de elétrons é usada na fabricação de componentes de motores na indústria automotiva. Devido ao custo de uma peça fabricada com EBM, seu uso é limitado a peças especializadas e de alto desempenho, como turbocompressores customizados. O EBM é mais comumente usado na indústria aeroespacial para fabricar componentes para motores a jato, como pás de turbinas.

Qual é a diferença entre impressão 3D EBM e SLM?

SLM (fusão seletiva a laser) é um processo LPBF (fusão em leito de pó a laser). O nome “SLS” foi originalmente registrado pela SLM Solutions (agora Nikon SLM Solutions Group AG), mas é frequentemente usado como um termo genérico para sistemas LPBF metálicos.

As diferenças entre a impressão 3D EBM e SLM são:

1. EBM usa elétrons para derreter pós, enquanto SLM usa fótons de um laser para derreter pós metálicos.
2. O EBM requer vácuo para imprimir peças, enquanto o SLM imprime peças com um gás inerte a uma pressão próxima da atmosférica.
3. A EBM processa principalmente titânio, cromo-cobalto e algumas superligas à base de níquel, enquanto a SLM suporta uma gama mais ampla de metais, incluindo aço inoxidável, alumínio e cobre.
4. O EBM geralmente imprime peças com menor precisão dimensional e superfície mais áspera do que o SLM devido ao maior tamanho de partícula de pó e às alturas de camada de impressão necessárias.
5. EBM é mais caro que SLM devido à tecnologia EBM e aos pós metálicos usados.

Qual é a diferença entre impressão 3D EBM e DMLS?

DMLS (Direct Metal Laser Sintering) é quase idêntico à impressão 3D SLM. O nome DMLS é marca registrada da EOS GmbH. Apesar do uso da palavra “sinterização”, o processo na verdade funde as partículas em vez de sinterizá-las.

Além de algumas diferenças nos parâmetros de impressão entre SLS e DMLS, são fundamentalmente as mesmas tecnologias.

As diferenças entre EBM e DMLS são, portanto, bastante semelhantes àquelas entre EBM e DMLS.

1. O EBM emprega um feixe de elétrons de alta energia para derreter pós metálicos, enquanto o DMLS utiliza um laser de alta potência para realizar o mesmo processo.
2. O EBM opera em um ambiente de vácuo, enquanto o DMLS funciona em uma atmosfera de gás inerte (como argônio ou nitrogênio) a uma pressão próxima da atmosférica.
3. O EBM é usado principalmente para materiais como titânio, cromo-cobalto e certas superligas à base de níquel, enquanto o DMLS acomoda uma variedade maior de metais, incluindo aços inoxidáveis, alumínio, aços para ferramentas e titânio.
4. O EBM tende a oferecer menor precisão dimensional do que o DMLS devido às partículas de pó maiores e às camadas de impressão mais espessas, resultando em acabamentos superficiais mais ásperos.
5. As máquinas EBM são geralmente mais caras, embora a despesa real varie de acordo com a aplicação pretendida, as escolhas de materiais e as necessidades de produção.

Resumo

Este artigo resumiu a tecnologia de impressão 3D Electron Beam Melting (EBM), incluindo como ela funciona, suas vantagens, materiais e como se compara a outros processos de impressão 3D. Para saber mais sobre a impressão 3D por fusão por feixe de elétrons e como você pode aplicá-la em seus projetos, entre em contato com um representante da Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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