La fabricación aditiva por haz de electrones , o fusión por haz de electrones ( EBM ), es un tipo de fabricación aditiva , o impresión 3D , para piezas metálicas. La materia prima (polvo o alambre de metal) se coloca al vacío y se fusiona mediante el calentamiento con un haz de electrones. Esta técnica es distinta de la sinterización selectiva por láser , ya que la materia prima se fusiona por completo. [1] La fusión selectiva por haz de electrones (SEBM) surgió como una tecnología de fabricación aditiva (AM) basada en lecho de polvo y fue lanzada al mercado en 1997 por Arcam AB Corporation, con sede en Suecia. [2]
Los polvos metálicos se pueden consolidar en una masa sólida utilizando un haz de electrones como fuente de calor. Las piezas se fabrican fundiendo el polvo metálico, capa por capa, con un haz de electrones en un alto vacío.
Este método de lecho de polvo produce piezas metálicas completamente densas directamente a partir de polvo metálico con características del material de destino. La máquina EBM lee datos de un modelo CAD 3D y coloca capas sucesivas de material en polvo. Estas capas se funden entre sí utilizando un haz de electrones controlado por computadora. De esta manera se forman las piezas. El proceso se lleva a cabo al vacío, lo que lo hace adecuado para fabricar piezas en materiales reactivos con una alta afinidad por el oxígeno, por ejemplo, el titanio. [3] Se sabe que el proceso funciona a temperaturas más altas (hasta 1000 °C), lo que puede provocar diferencias en la formación de fases a través de la solidificación y la transformación de la fase de estado sólido. [4]
La materia prima en polvo suele estar prealada, en lugar de ser una mezcla. Ese aspecto permite la clasificación de EBM con fusión selectiva por láser (SLM), donde las tecnologías de la competencia, como SLS y DMLS, requieren un tratamiento térmico después de la fabricación. En comparación con SLM y DMLS, EBM tiene una velocidad de construcción generalmente superior debido a su mayor densidad de energía y método de escaneo. [ cita requerida ]
Trabajos recientes han sido publicados por ORNL , demostrando el uso de tecnología EBM para controlar orientaciones de grano cristalográfico local en Inconel . [5] Después de probar en el microscopio electrónico de transmisión mediante la técnica in situ de última generación, se ha demostrado que la aleación EBM Inconel exhibe propiedades mecánicas similares en comparación con una aleación Inconel forjada. [6] Se han realizado numerosas investigaciones en los últimos tiempos, explorando la microestructura y las características de varios grados de acero (incluidos austenítico, martensítico, de doble fase y ferrítico) adaptados para el proceso EBM. [7] Otros desarrollos notables se han centrado en el desarrollo de parámetros de proceso para producir piezas a partir de aleaciones como cobre , [8] niobio , [9] Al 2024 , [10] vidrio metálico a granel , [11] acero inoxidable y aluminuro de titanio . Los materiales comerciales actuales para EBM incluyen titanio comercialmente puro , Ti-6Al-4V , [12] CoCr , Inconel 718 , [13] e Inconel 625. [ 14]
Otro enfoque es utilizar un haz de electrones para fundir el alambre de soldadura sobre una superficie para construir una pieza. [15] Esto es similar al proceso común de impresión 3D de modelado por deposición fundida , pero con metal, en lugar de plásticos. Con este proceso, una pistola de haz de electrones proporciona la fuente de energía utilizada para fundir la materia prima metálica, que normalmente es alambre. El haz de electrones es una fuente de energía altamente eficiente que puede enfocarse y desviarse con precisión utilizando bobinas electromagnéticas a velocidades de miles de hercios. Los sistemas típicos de soldadura por haz de electrones tienen una alta disponibilidad de energía, siendo los sistemas de 30 y 42 kilovatios los más comunes. Una ventaja importante de utilizar componentes metálicos con haces de electrones es que el proceso se lleva a cabo en un entorno de alto vacío de 1 × 10-4 Torr o mayor, lo que proporciona una zona de trabajo libre de contaminación que no requiere el uso de gases inertes adicionales que se utilizan comúnmente con procesos basados en láser y arco. Con EBDM, el material de partida se introduce en un baño de fusión creado por el haz de electrones. Mediante el uso de controles numéricos de computadora (CNC), el baño de fusión se mueve sobre una placa de sustrato, agregando material justo donde se necesita para producir la forma casi neta. Este proceso se repite capa por capa hasta que se produce la forma 3D deseada. [16]
Dependiendo de la pieza que se fabrique, las tasas de deposición pueden alcanzar hasta 200 pulgadas cúbicas (3300 cm3 ) por hora. Con una aleación ligera , como el titanio , esto se traduce en una tasa de deposición en tiempo real de 40 libras (18 kg) por hora. Una amplia gama de aleaciones de ingeniería son compatibles con el proceso EBDM y están fácilmente disponibles en forma de alambre de soldadura a partir de una base de suministro existente. Estas incluyen, entre otras, aceros inoxidables, aleaciones de cobalto , aleaciones de níquel , aleaciones de cobre y níquel, tantalio , aleaciones de titanio, así como muchos otros materiales de alto valor. [ cita requerida ]
Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente con esta tecnología, lo que la convierte en una opción adecuada para el mercado de implantes médicos.
Las copas acetabulares con certificación CE se producen en serie con EBM desde 2007 por dos fabricantes europeos de implantes ortopédicos, Adler Ortho y Lima Corporate . [ cita requerida ]
El fabricante estadounidense de implantes Exactech también recibió la autorización de la FDA para una copa acetabular fabricada con la tecnología EBM. [ cita requerida ]
También se abordan aplicaciones aeroespaciales y otras aplicaciones mecánicas altamente exigentes, véase motor de cohete Rutherford .
El proceso EBM ha sido desarrollado para la fabricación de piezas en aluminuro de titanio gamma y actualmente está siendo desarrollado por Avio SpA y General Electric Aviation para la producción de álabes de turbinas en γ-TiAl para motores de turbinas de gas. [17]
La primera máquina EBM de los Estados Unidos se encuentra en el Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas de la Universidad Estatal de Carolina del Norte . [18]
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