Ktorá technológia je najvhodnejšia na sériovú výrobu kovových dielov? Porovnanie: NeuBeam vs. PBF-EB vs. PBF-Laser

V posledných rokoch sa aditívna výroba kovov (metal AM) stala kľúčovou technológiou v leteckom, obrannom a energetickom priemysle.
Dnes na trhu dominujú dva prístupy založené na princípe spekania kovového prášku v práškovom lôžku (Powder Bed Fusion - PBF). Tieto technológie sa líšia predovšetkým typom zdroja energie, ktorý zohrieva a speká prášok:

• laser (PBF-L)

• elektrónový lúč (PBF-EB)

Spoločnosť Wayland Additive vyvinula a uviedla na trh novú generáciu procesu NeuBeam s elektrónovým lúčom, ktorý otvára nové možnosti využitia aditívnej výroby kovov v priemyselnej praxi.

Každá z týchto technológií má svoje silné stránky a obmedzenia, ktoré určujú, či je proces vhodný na výrobu prototypov, malosériovú výrobu alebo plnohodnotnú sériovú výrobu. Tento prehľad porovnáva tradičné technológie PBF-L a PBF-EB s novou technológiou NeuBeam.

PBF-Laser: vysoká presnosť, ale obmedzenia pre väčšie diely

Technológia PBF-L využíva jeden alebo viac laserov na spekanie kovového prášku vrstvu po vrstve.
Zabezpečuje vysoké rozlíšenie, vynikajúcu presnosť rozmerov a širokú škálu použiteľných materiálov. Je obzvlášť vhodná pre diely s jemnou geometriou, topologicky optimalizované štruktúry a malé až stredne veľké komponenty.

Pri väčších súčiastkach a dlhých cykloch zostavovania sa však prejavujú veľké obmedzenia:

• značné teplotné rozdiely medzi spekaním a okolitým materiálom → vznik vnútorných napätí a možnosť deformácie

• zvyškové napätia si často vyžadujú následné tepelné spracovanie

• výkon lasera a účinnosť absorpcie obmedzujú proces pre vysokopevnostné zliatiny.

Preto je PBF-L vynikajúci na presné prototypy, malé série a detailné komponenty, ale menej vhodný na veľkosériovú výrobu.

PBF-EB: vyššia produktivita, ale obmedzená stabilita procesu

Proces PBF-EB využíva elektrónový lúč vo vákuu na spekanie kovového prášku bez rizika oxidácie. Umožňuje efektívne spracovanie náročných materiálov, najmä zliatin titánu, Inconelu a kobalt-chrómových zliatin. V porovnaní s laserovým procesom je PBF-EB rýchlejší a menej náchylný na zvyškové napätia vďaka vyššej teplote procesu.

Má však aj svoje obmedzenia:

• interakcia elektrónového lúča s vrstvou prášku môže spôsobiť nabitie častíc prášku, čo vedie k nestabilite procesu

• preto je potrebné predspekanie celej vrstvy prášku, čím vzniká tzv. sinter cake a vyžaduje si rozsiahly postprocessing

• výsledná kvalita povrchu je zvyčajne hrubšia a vyžaduje si ďalšie dokončovacie operácie

PBF-EB je preto vhodný tam, kde je prioritou skôr mechanická pevnosť a tepelná stabilita materiálu než maximálna presnosť alebo kvalita povrchu.

NeuBeam: nová generácia procesov s elektrónovým lúčom

Technológia NeuBeam, ktorú vyvinula spoločnosť Wayland Additive, predstavuje významný vývoj tradičného PBF-EB. Hlavný rozdiel spočíva v aktívnej neutralizácii elektrostatických nábojov v prášku, ktorá zabraňuje odpudzovaniu častíc a umožňuje stabilný proces aj pri vysokých energiách elektrónového lúča.

NeuBeam kombinuje:

• účinnosť procesu a hĺbku zhutnenia elektrónovým lúčom

• s presnosťou a jemnou kontrolou typickou pre laserové systémy.

Technológia je implementovaná v priemyselnom systéme Calibur3, ktorý je určený na sériovú výrobu:

• Stavebný objem: 300 × 300 × 450 mm

• Hrúbka vrstvy: 150 µm

• Výkon zdroja elektrónov: do 5 kW pri 60 kV

• Procesné teploty: do ~1000 °C (v závislosti od materiálu)

• Nie je potrebné predspekanie vrstvy prášku

Vďaka eliminácii elektrostatického nabíjania a stabilnejším teplotným podmienkam NeuBeam:

• výrazne znižuje vnútorné napätia

• poskytuje rovnomernú mikroštruktúru
• zabezpečuje konzistentnú hustotu materiálu.

Zároveň skracuje čas konštrukcie a následnej úpravy, čím sa stáva silným kandidátom na skutočne hromadnú výrobu kovových komponentov.

Porovnanie technológií: kľúčové parametre

Praktické dôsledky

NeuBeam už vykazuje významné prínosy v leteckom a obrannom priemysle. Umožňuje výrobu veľkých, tenkostenných a tepelne namáhaných dielov bez deformácie a s vynikajúcou opakovateľnosťou rozmerov. Materiály ako titán, Inconel alebo volfrám možno vyrábať bez podpier, s homogénnou mikroštruktúrou a mechanickými vlastnosťami porovnateľnými s výkovkami.

"NeuBeam umožňuje konštruktérom a výrobným inžinierom pracovať s materiálmi, ktoré boli predtým pre aditívnu výrobu prakticky nedostupné - a zároveň dosahovať produktivitu rovnocennú skutočnej hromadnej výrobe."

DarrinDickinson, Wayland Additive

Záver: stabilná cesta k priemyselnej hromadnej výrobe

Zatiaľ čo PBF-L zostáva štandardom pre vysoko presné prototypy a PBF-EB je zavedenou metódou pre pevné zliatiny s vysokou teplotnou odolnosťou, NeuBeam posúva elektrónový proces do novej éry stabilnej, opakovateľnej a škálovateľnej priemyselnej výroby.

Tým, že prakticky eliminuje potrebu predspekania prášku, znižuje vnútorné napätia a umožňuje efektívne spracovanie náročných materiálov - vrátane volfrámu a vysokoteplotných superszliatín - NeuBeam ponúka jedinečnú kombináciu výkonu, presnosti a spoľahlivosti procesu.

Pre letecký, obranný a energetický sektor poskytuje NeuBeam praktickú cestu k plnohodnotnej sériovej výrobe kovových súčiastok, ktoré bolo predtým ťažké alebo nemožné vyrábať inými metódami.