Первооткрывателем аддитивной технологии электронно-­лучевого плавления (ЭЛП, E-PBF/EBM) стала шведская компания Arcam AB (ныне GE Additive). Было это еще в 1997 году. И затем на протяжении многих лет Arcam удерживала монополию в технологии электронно-­лучевой плавки металлопорошковых композиций и добилась всемирной известности. В 2015 году ключевые патенты компании закончились, что и открыло дорогу новым игрокам. «Сложно ли сохранять лидерство, будучи монополистом? — спросит читатель. На этот риторический вопрос каждый найдёт единственно верный ответ. Но что произойдёт, если отпустить патенты и вой­ти в рыночную конкуренцию? Для этого достаточно вспомнить ажиотаж, случившийся в индустрии аддитивных технологий после окончания действия патентов Stratasys Inc. Тогда рынок в самые короткие сроки наводнили многочисленные проекты с технологией FFF, появившейся благодаря своему прародителю FDM. Но так ли просто дотянуться до высочайшей планки, установленной Arcam, и даже поднять её ещё выше? Чуть забегая вперед, скажем: совсем не просто, но всё же — не из разряда невыполнимых миссий. И в том, что сейчас на мировой и российский рынок АП выходит усовершенствованная технология электронно-­лучевой плавки (по сути — ЭЛП 2.0), есть немалая заслуга в том числе отечественных компаний.

Рис. 1. Примеры деталей, изготовленных из различных материалов по технологии E-PBF

Чтобы двигаться дальше, давайте обратимся к возможностям технологии, отметив её самые важные конструктивные и технологические особенности. Принцип здесь состоит в выборочном плавлении порошкового металлического слоя материала посредством его бомбардировки, под контролем магнитного поля, электронными лучами, исходящими из электронной пушки мощностью обычно 3–6 кВт. Чтобы исключить или минимизировать напряжения, обеспечить лучшее металлургическое качество, металло­порошковая композиция нагревается до температуры 700–1100 °C. А чтобы кислород из воздуха не смог воздействовать на металл, окисляя его и повышая риск взрывоопасности порошка, в технологии E-PBF используется вакуум. Сегодня системы 3D-печати, работающие с металлическими порошками, для исключения негативного влияния кислорода на изделие используют либо инертный газ, либо вакуум. Оба заполнителя в рабочей камере служат одной цели. Однако в нашем случае электронный луч работает в коллаборации с вакуумом. Отмечается, что именно вакуумное плавление имеет максимально высокий коэффициент использования энергии, низкий коэффициент отражения, высокую скорость сканирования (против точечного воздействия лазера, как у L-PBF), а также высокую проникающую способность, большую глубину плавления и низкое напряжение в деталях — именно то, что является камнем преткновения для ближайшего конкурента — технологии СЛП (L-PBF), работающей в среде инертных газов с помощью лазера. Отметим также, что вакуум исключает горение в камере построения и образование соответствующих частиц, что позволяет получать более чистые изделия в сравнении с СЛП. После завершения печати в камеру построения закачивается гелий, и идёт медленное остывание с получением гомогенизированных отожжённых деталей.

Все слышали о поддерживающих структурах, без которых вроде как не обойтись, ведь они в нашем аддитивном мире помогают удерживать изделия на платформе и отводить тепло, смягчая напряжения. В ЭЛП они совершенно не обязательны! Дело в том, что электронный луч сканирует поверхность, причём делает это максимально быстро, как бы рассредоточиваясь одновременно в разных частях каждого слоя, и потому в формируемых слоях не успевают накапливаться напряжения. Например, производительность ЭЛП-принтеров составляет 55–80 см3/час против 2–20 см3/час у СЛП. Однако пытливый читатель может возразить, приводя в пример большие сборки в СЛП, в которых большое количество деталей расположены одна над другой (в трёх измерениях) со вспомогательными структурами, что создает видимость серийного производства. И он будет прав в том, что в некоторых случаях (а в серии этого очень важно) инженеры для максимального использования потенциала принтера соединяют перемычками детали для того, чтобы они надёжно удерживались одна над другой и позволяли принтеру работать в режиме 24х7 без присутствия оператора. Сравните для примера этот важный аспект с технологией L-PBF, когда детали через поддержки жёстко привариваются к плите, что уже ближе к двумерному расположению. Соответственно, в этом случае остаётся не задействованной остальная часть рабочей камеры, и эффективность работы принтера падает.

С технологией разобрались, её преимущества неоспоримы и крайне актуальны. Как обстоят дела с материалами?

Рис. 2. Серийное производство 54 ацетабулярных чаш для эндопротезирования тазобедренного сустава 

по технологии E-PBF (изображение предоставлено General Electric, Inc., США)

Металлопорошки обычно используются в диапазоне размеров 45–100 мкм, что является достаточно крупной фракцией, которая более безопасна ввиду низкой текучести, а также более доступна по сравнению с материалами для СЛП. Энергии электронной пушки и электронов, вылетающих из неё, достаточно для расплавления порошка многих токопроводящих металлов, даже с высокой степенью отражательной способности и теплопроводности, например, меди, тугоплавких металлов, сплавов циркония, тантала, молибдена, титана и его сплавов, хром-кобальтовых сплавов, никелевых сплавов. Но самый важный гость на рабочей платформе 3D-принтера — титановые сплавы ввиду исторических причин, своей высокой стоимости и сложности обработки традиционными технологиями. По этой причине главные потребители технологии ЭЛП — высокотехнологичные отрасли: авиастроение, космонавтика, медицина и производство электродвигателей. Например, прочные и лёгкие детали из сплава титана Ti6Al4V используются для изготовления частей двигателей и несущих конструкций NASA, а также корпорациями Boeing и Lockheed Martin. Протезы и имплантаты сегодня также успешно изготавливаются при помощи ЭЛП из биосовместимых титана и кобальтового сплава CoCr с полной безопасностью для организма человека. Абсолютным бестселлером в медицинской среде является производство ацетабулярных чаш для эндопротезирования тазобедренного сустава, рыхлая поверхность которых просто идеальна и без дополнительной обработки (не думайте, что именно такая «фирменная» шероховатость будет после печати — это специальные настройки в ПО для взаимодействующей с костями части геометрии чашки).

Рис. 3. AM.TECH EBM-200

E-PBF сегодня на мировой арене зарекомендовала себя наилучшим образом для производства ажурных и подверженных растрескиванию деталей, крупных технических элементов конструкций, тонкостенных изделий и мелких стержнеобразных элементов конструкций, в том числе с высокой сплошностью (например, превышающей 99,4% на Ti6Al4V).

С экономической точки зрения плюсы у технологии возникают как следствие более простого устройства оборудования, в котором отсутствуют дорогие и привередливые лазеры, зеркала, сканаторы. А благодаря более высокой производительности увеличивается выход готовой продукции и, соответственно, ускоряется окупаемость инвестиций.

Также практически любая АТ по металлам и сплавам предоставляет заготовку, соответствующую литейным технологиям или проволочной наплавке. В первом и во втором случае для некоторых поверхностей потребуется механообработка, пескоструйка, галтовка, шлифовка или даже электрохимполировка. Технология ЭЛП также потребует подобного к себе внимания. Более высокая, чем в СЛП, шероховатость убирается вышеперечисленными методами, так что в этой области между технологиями нет явного лидера.

Для тех, кто рассматривает аддитивное производство в качестве рентабельного инструмента для изготовления ответственных металлических деталей, сегодня доступны несколько технологий, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Найти их не составит особого труда, доверившись опытным интеграторам. И лучше, если это будут компании, имеющие собственное производство оборудования или налаженную крупноузловую сборку — как следствие статуса СП с ведущими иностранными брендами. Компания AM.TECH как раз и представляет собой такого интегратора, со всей ответственностью подходящего к вопросам подбора оборудования из обширной собственной линейки 3D-принтеров и 3D-сканеров.

Предлагаемые компанией системы серии EBM способны решать самые сложные задачи, которые неспособно решить другое оборудование или компании. 3D-принтер AM.TECH EBM‑200, который является средним в линейке электронно-­лучевого оборудования компании, можно увидеть в работе в стенах Московского цифрового завода. Традиционно для AM.TECH все параметры поставляемых решений остаются открытыми для всех категорий заказчиков — мы предоставляем полную свободу науке и производствам для быстрого освоения АТ и использования лучших или экспериментальных материалов на рынке для разработки новых деталей и получения уникальных физических и механических свой­ств. Современная технология ЭЛП переживает второе рождение благодаря новым и конкурентноспособным игрокам. Убедитесь в этом сами, посетив офис и производство AM.TECH! ■

Am.tech

8 (495) 108 60 68

office@am.tech

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2024