Mašinski fakultet Sarajevo

Seminarski rad

Aditivne tehnologije

Topljenje snopom elektrona (EBM)

Mahir Lepić

Benjamin Musa

V.prof.dr. Ahmet Čekić Adis Ibrahimspahić

Minel Pašić

1.Uvod

Suvremenu proizvodnju u današnje vrijeme nije moguće zamisliti bez korištenja suvremenih alata kao što su programski paketi za 3D konstruiranje i uređaji za brzu izradu prototipova. Nove tehnologije uvelike snizuju troškove i skraćuju vremenski tijek razvoja proizvoda te omogućuju izradu funkcionalnih dijelova. Klasične metode obrade dosta su ograničene kada je u pitanju izrada proizvoda vrlo složene geometrije, s toga se kao odgovor na ove zahtjeve postavlja tehnologija brze izrade prototipova. U inženjerstvu svaka želja ili potreba za novim proizvodom započinje idejom. Da bi se ideja pretvorila u krajnji proizvod mora proći kroz više faza od razrade koncepta, dizajna, izrade tehničke dokumentacije preko izrade prototipa, testiranja prototipa, izmjena uočenih nedostataka, izbora proizvodne tehnologije do konačne izrade proizvoda. Smanjenje vremena od ideje o proizvodu do konačne proizvodnje, a samim tim i smanjenje troškova, jedan je od važnijih faktora efikasnoog reagovanja na, sve strožije, zahtjeve trzišta. Veliki korak u tom smjeru učinjen je razvojem i uvođenjem računarske tehnologije i CAD (engl. Computer Aided Design) alata u inženjerstvu. Sledećim korakom u tom pravcu može se smatrati razvoj trodimenzionalnog, digitalnog prikaza proizvoda. Izradom 3D modela pospješuje se evaluacija geometrije, olakšava ispitivanje, analiza i procjena mehaničkih svojstava modela i ubrzava proces razvoja proizvoda. Danas je modernu proizvodnju nemoguće zamisliti bez upotrebe 3D alata. Kod izrade proizvoda komplikovane geometrije i oblika klasične metode izrade prototipa predstavljaju ograničavajući faktor. Kao odgovor na sve strožije zahtjeve razvijene su tehnologije brze izrade prototipova (engl. Rapid Prototyping – RP) proizvoda pomoću aditivnih metoda. Ti postupci omogućuju izradu fizičkog modela, komplikovanog oblika, automatiziranim procesima direktno iz računarskih baza podataka, u vrlo kratkom vremenu. Za razumijevanje i upotrebu tehnologija brze izrade prototipova, potrebno je znati koristiti jedan ili više alata za trodimenzionalno (3D) modeliranje. Drugi korak je prikupljanje informacija o tehnologijama brze izrade pritotipova, koje su još uvijek nedovoljno specificirane i raspršene, upoznavanje sa njihovim prednostima i nedostacima i procesom rada. Veliki nedostatak predstavljaju nedovoljno zastupljene unificirane, empirijske informacije koje bi precizno definisale mogućnosti i ograničenja RP tehnologija.

Pojavom ideje o aditivnoj proizvodnji (AM – Additive manufacturing - izrada objekata dodavanjem sloj po sloj) 1980 – ih godina, razvijeni su i prvi sustavi za brzu izradu prototipa. Jedan od prvih procesa koji je korišten za brzu izradu prototipova je stereolitografija (engl. Stereolithography - SLA), a razvila ga je tvrtka 3D Systems iz Kalifornije 1986. godine. Prvi 3D printer u boji razvijen je 1992. Komercijalno je postao dostupan od strane američke tvrtke ZCorp 1996. godine. Danas se sustavi za brzu izradu protipova koriste za izradu modela, funkcionalnih dijelova ili manjih proizvodnih serija u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji te u medicinske i stomatološke svrhe. Pravi napredak u brzoj izradi prototipa tek se očekuje u budućnosti.1 U 2009. godini Wohlers je izvjestio da se 16% procesa za brzu izradu prototipova koristi za izravnu proizvodnju dijelova, 21% za izradu funkcionalnih modela, a 23% za izradu alata i jezgri kalupa.

2. Proces brze izrade prototipova aditivnim tehnologijama

Brza izrada prototipa označava tehnologije kojima je moguće direktno iz digitalnog prikaza prostornog ili trodimenzionalnog (3D) modela, napravljenog u nekom od CAD alata, stvoriti njegovu fizičku reprezentaciju i posve funkcionalan i relativno kompleksan radni prototip. RP ureĎaji grade model, za razliku od CAM (engl. Computer Aided Manufacturing) tehnologija koje geometriju realiziraju uklanjanjem materijala. Gradnja modela bazira se na digitalno rezanim slojevima modela koji se u fizičkom prostoru sloj po sloj lijepe u finalni oblik. Prednost gradnje u slojevima je izrada kompleksnih oblika koje je klasičnim metodama gotovo nemoguće izraditi. Moguće je izgraditi komplicirane strukture unutar modela i tanke stjenke. Sve RP tehnologije (aditivnim metodama) izgraĎuju model tako da nanose sloj po sloj materijala u obliku poprečnih presjeka modela u x-y ravnini po z osi.

Slika 1. x,y ravan z- osa

3. Aditivne tehnologije

Na tržištu je dostupan velik broj konkurentnih tehnologija, tako i više vrsta 3D printera. Glavna razlika izmeĎu tih vrsta printera je u načinu na koji se dobivaju slojevi i kreiraju dijelovi strukture koju želimo dobiti. Neki od njih omekšavaju materijale kako bi dobili slojeve, drugi slažu tekuće termosetove koji se očvršćuju na različite načine, dok treći režu tanke slojeve materijala i zatim ih spajaju zajedno. Aditivnim postupcima moguća je izrada proizvoda komplicirane geometrije u kratkom vremenu na temelju CAD računalnog modela. Primjenjuju se za izradu proizvoda od polimera, metala i keramike i to za potrošačke proizvode, u elektronici, automobilskoj industriji, medicini, arhitekturi, vojnoj industriji, zrakoplovnoj industriji, strojogradnji itd. Zanimljivo je također i područje izrade alata i kalupa gdje su velike uštede u proizvodnji zato što je moguća izrada kompliciranih kanala za temperiranje. Ali se u jednoj rečenici može reći da aditivnim postupcima moguće je sve napraviti, a ograničenje je samo mašta. Na slici su prikazani primjeri aditivne proizvodnje , koji obuhvataju tehnologije kao sto su: Selektivno lasersko sinteriranje (engl. Selective Laser Sintering, kratica: SLS), Direktno lasersko sinterirnje metala (engl. Direct Metal Laser Sintering, kratica: DMLS), Modeliranje nanošenjem rastopljenog materijala (engl. Fused Deposition Modeling, kratica: FDM), Stereolitografija (engl.Stereolithography, kratica: SLA), Laminirana objektna proizvodnja (LOM, Laminated Object Manufacturing), 3D tisak- 3DP i Otapanje snopa elektrona (EBM, Electron beam melting). U ovom radu će detaljno biti objašnjena tehnologija topljenjem snopom elektrona.

Slika 2. Prikaz aditivnih tehnologija

3.1. Selektivno lasersko sinteriranje (engl. Selective Laser Sintering, kratica: SLS)

SLS je proces trodimenzionalnog printanja na bazi tehnologije sinteriranja, a komercijaliziran je proizvodima tvrtke 3D Systems.

Prednosti ovog postupka su: dijelovi boljih mehaničkih svojstava od onih izgrađenih stereolitografijom; SLS dijelovi mogu se koristiti za funkcionalna ispitivanja; postupak SLS brži je od stereolitografije; moguća primjena većeg broja materijala; nije potreban potporanj jer višak praha podupire prototip; neuporabljeni prah moţe se iskoristiti za slijedeći prototip; bolja obradivost izrađenih dijelova u odnosu na stereolitografske dijelove; mala zaostala naprezanja.

Nedostaci ovog postupka su : lošija kvaliteta površine u odnosu na stereolitografske dijelove; pri korištenju nekih materijala potrebna je zaštitna atmosfera radi pojave otrovnih plinova tijekom srašćivanja; potrebe za perifernim uređajima za čišćenje proizvoda (engl. Break Out Station); za potrebe brze izrade alata potrebna je Hydrogen Lindbergh-ova peć, koja sluţi za stvrdnjavanje i infiltraciju metalnih čestica, što zahtijeva dodatno sigurnosno skladištenje radnih plinova; sustav zauzima veliku radnu površinu. SLS postupak se primjenjuje za izradu funkcionalnih prototipova, kalupa za lijevanje, EDM elektroda, alata za injekcijsko prešanje, tvrdih alata itd. Kao materijali za izradu dijelova se koriste prahovi od metala, keramike, poliamida, polistirena, polikarbonata, elastomera. Slika 3 pokazuje neke primjere proizvoda izrađenih selektivnim laserskim sinteriranjem.

Slika 3. Primjeri proizvoda izrađenih selektivnim laserskim sinteriranjem

3.2. Direktno lasersko sinterirnje metala (engl. Direct Metal Laser Sintering, kratica: DMLS)

Kod ove metode, metalni puder se topi i kreira se struktura pune gustoće. Oblici se izraĎuju sloj po sloj pa je moguće izraditi unutrašnje oblike, šupljine i prelaze koji ne bi mogli biti izliveni ili izraĎeni na drugi način. Korisna je za izradu kanala za hlaĎenje u automobilima, za izradu medicinskih implatanata koji se prilagoĎavaju svakom korisniku. Ovom metodom se izgraĎuju modeli sa najkompleksnijom geometrijom. Modeli imaju visoku rezoluciju, iuveliko su kvalitetni. Ova metoda dozvoljava slobodu konstruiranja i efikasnija konstrukcijska rješenja u tehničkim aplikacijama. DMLS ima još prednosti u odnosu na tradicionalne tehnike proizvodnje; kraće vrijeme izrade gdje nisu potrebni nikakvi dodatni alati, izrada više različitih struktura istovremeno i mogućnost izrade struktura od različitih legura, zbog čega se naziva tehnologijom koja štedi vrijeme i novac. Neki modeli se mogu odraditi za par sati, a neki do sada neizvodivi modeli se mogu upravo kreirati ovom metodom. Pomoću ureĎaja mogu se izraditi kompleksni oblici koji se koriste kao kalupi za injekcijsko prešanje matrice za ekstrudiranje, prototipni komadi za ograničena ispitivanja, kalupi za ekstruzijsko puhanje. UreĎaj za izradu kalupa i jezgri od silicij pijeska (S-Print) koristi se u autoindustriji za proizvodnju V-8 bloka motora. U svijetu se koristi 30 takvih ureĎaja različitih namjena.Prednosti ovog postupka su: Direktna proizvodnja funkcionalnih metalnih dijelova, Izrada alata, Izrada dijelova kompleksnih površina, Brzina izrade, Radni volumen. Nedostaci ovog postupka su: Naknadna obrada (mogućnost oštećenja manualnim radom),Cijena ureĎaja i materijala, Gruba površina.

3.3 Modeliranje nanošenjem rastopljenog materijala (engl. Fused Deposition Modeling, kratica: FDM)

Tehnologiju modeliranja topljenim depozitima (engl.Fused Deposition Modeling - FDM) razvila je i patentirala tvrtka Stratasys početkom 1990-ih godina. Početna svrha bila je izrada konceptnog dizajna, no danas se koristi za izradu ljevačkih jezgri i dijelova za direktnu uporabu.

Tipična primjena:koncept dizajn (vizualizacija),direktna upotreba,investicijsko lijevanje medicina – hirurška rekonstrukcija,elastične komponente

Prednosti ovog postupka su :manja potrošnja energije; ne koristi se laserski snop; nema posebnih zahtjeva za ventilacijom i hlađenjem; jednostavna primjena; relativno mala investicija u uređaj, niski troškovi održavanja; mogućnost izrade više prototipova u jednom ciklusu; zanemarivo rasipanje materijala; postojanost oblika.

Nedostaci ovog postupka su :funkcionalnost prototipova ograničena je izborom materijala; ograničen broj primjenjivih materijala; Nužnost primjene potporne konstrukcije; Niža čvrstoća prototipa u smjeru okomitom na smjer izrade; cijena materijala; oscilacije temperature tijekom izrade mogu uzrokovati raslojavanje prototipa.

3.4. Stereolitografija (engl.Stereolithography, kratica: SLA)

Stereolitografija (engl. Stereolithography - SL) je prvi proces koji je korišten u brzoj izradi prototipova. Na tržište ga je izbacila tvrtka 3D Systems iz Kalifornije 1987. godine [5]. Za izgradnju modela koristi se tekući fotopolimer, a za skrućivanje fotopolimera koristi se laserska zraka (3D Systems) ili DLP (engl. Digital Light Processing) projekcija (EnvisionTEC). SL tehnologija je postala zlatni standard za brzu izradu prototipova, gdje je potrebna preciznost u montaţi sklopova. Točnost i dobro stanje površine čini SL tehnologijupogodnom za verifikaciju montaže i izradu master uzoraka kalupa za oblikovanje silikonske gume [5].

Koristi se u različitim granama industrije gdje su potrebni modeli za testiranje oblika i pozicioniranje, izradu kalupa, za brzu izradu alata, izradu kopča i aplikacija otpornih na toplinu. Kao materijali za izradu dijelova se koriste akrilne i epoksidne smole.

Prednosti: precizna izrada, kvaliteta površine, brzina izrade, nema sistema za dobavu materijala, stabilnost dimenzija .Nedostaci:škart je neupotrebljiv, cijena materijala i uređaja, kratak vijek trajanja žarulje kod DLP. Na slici 4 su prikazani primjeri proizvoda izrađenih stereolitografijom.

Slika 4. Primjeri proizvoda izrađenih stereolitografijom

3.5. Laminirana objektna proizvodnja (LOM, Laminated Object Manufacturing)

Postupak proizvodnje laminiranih objekata (LOM – engl. Laminated Object Manufacturing) je razvijen u tvrtci Helsys, a prvi je stroj prodan 1992.

Prednosti LOM postupka: moguće su obrade glodanjem i bušenjem kao u drvu, vrlo dobra i prihvaćena tehnologija za modelar, poslije 3DP najjeftiniji stroj u usporedbi s ostalim AM postupcima, nema unutarnjih naprezanja (laser reže samo konturu), pogodna za velike objekte.

Nedostaci LOM postupka: točnost u smjeru z-osi je manja nego kod drugih AM postupaka, ne mogu se izvoditi šuplji objekti kao boce (ne može se odstraniti višak materijala), ako se koristi papir potrebno je naknadno lakiranje kako bi se izbjeglo upijanje vlage koje može promijeniti dimenzije.

LOM postupak se primjenjuje od izrade kalupa za lijevanje do automobilske industrije itd. Kao materijali za izradu dijelova se koriste papir, metalne i keramičke folije. Slika 5 pokazuje neke primjere proizvoda izrađenih LOM postupkom.

Slika 5. Primjeri proizvoda izrađenih LOM postupkom

3.6. 3D tisak- 3DP

Postupak 3D printanja (3DP – engl. 3D Printing) razvijen je na MIT-u, USA, a prvi komercijalni printer se pojavio 1997. DP postupak se primjenjuje za vizualizaciju dizajna, izradu funkcionalnih prototipova, dijelova i alata. Kao materijali za izradu dijelova se koriste prahovi od plastomera, te metalni, keramički i kompozitni prahovi.

Prednosti 3DP postupka: najbrži AM postupak, niski troškovi materijala, mogućnost izrade dijelova i sklopova sastavljenih od različitih materijala s različitim mehaničkim i fizikalnim svojstvima u jednom procesu printanja, mogućnost izrade u bojama

Nedostaci 3DP postupka: ograničene dimenzije dijela, naknadna toplinska obrada za uklanjanje veziva, sinteriranje i infiltriranje

Slika 6 pokazuje neke primjere proizvoda izrađenih 3DP postupkom.

Slika 6. Primjeri proizvoda izrađenih 3DP postupkom

3.6. Topljenje snopom elektrona (EBM, Electron beam melting)

Topljenje snopom elektrona je vrsta aditiva za proizvodnju metalnih dijelova. Često je klasificiran kao brza metoda za proizvodnju. Ova tehnologija proizvodi dijelove otapanjem metalnog praha sloj po sloj sa elektronskim snopom u visokom vakuumu. Za razliku od nekih metalnih tehnika sinteriranja, dijelovi su potpuno gusti bez praznina i izuzetno jaki. Čvrsta prostoručna izrada daje potpuno guste metalne dijelove direktno iz metalnog praha sa karakteristikama ciljnog materijala u prahu. EBM stroj čita podatke iz 3D CAD modela i polaže uzastopne slojeve materijala u prahu. Ovi su slojevi rastopljeni zajedno i koriste računalno upravljan elektronski snop. Na taj način gradi dijelove. Proces se odvija pod vakuumom, što ga čini pogodnim za proizvodnju dijelova u reaktivnim materijalima sa visokim afinitetom za kisik.Rastopljeni materijal je od čiste legure u obliku praha konačnog materijala koji će biti proizveden (bez punjenja). Iz tog razloga, tehnologija snopa elektrona ne zahtijeva dodatnu toplinsku obradu kako bi se dobila puna mehanička svojstva dijelova. Taj aspekt omogućuje klasifikaciju EBM-a sa LSM-om, gdje konkurentne tehnologije, kao što su SLS i DMLS, zahtijevaju termičke obrade nakon proizvodnje. Usporedno s SLS-om i DMLS-om, EMB ima općenito superiorniju stopu proizvodnje zbog svoje veće energetske gustoće i metode skeniranja. Minimalna debljina: 0,5 mm., sposobnost tolerancije: +/- 0,4 mm.

Slika 7. Princip EBM postupka

Kako modeli koji su proizvedeni ovim postupkom imaju gotovo identičnu čvrstoću kao gotovi proizvodi napravljeni klasičnim metodama, koriste se za ispitivanje i ocjenjivanje svojstava gotovih proizvoda ili kao alat za injekcijsko prešanje. Specifična upotreba ovog postupka je i mogućnost popravka, tj. rekonstrukcije strojnih dijelova složene geometrije (engl. Reverse Engineering), kao što su npr. turbine.

Osnovna ideja iza „CAD to metal“ tehnologije je izraditi metalne detalje u slojevima od metala od kojih je svaki istopljen sa snopom elektrona u tačnoj geometriji definisanoj preko kompjuterskog modela.

Radni komad je prvo dizajniran u 3D CAD programu. Fajl je transformiran u predprocesni softver gdje se model uzreže u tanke slojeve- Dijelovi su izrađeni „sloj po sloj“ pomoću EBM procesa u vakuumskoj komori. Na zavšetku EBM procesa polugotovi proizvodi se čiste i mogu se doraditi po potrebi nekim kovencionalnim metodama(npr. ako treba brusiti za dobijanje boljeg kvaliteta obrađene površine).

Elektronski snop se stvara u elektronskom topu koji je pozicioniran na vrhu vakuumske komore. Elektronski top je fiksiran, a zrak je usmjeren tako da dohvati cijelo područje izrade.

Elektroni se emituje iz niti koja je zagrijana na visoku temperaturu. Onda se elektroni ubrzavaju na 50% brzine svjetlosti e električnom polju.

Snop elektrona se kontroliše preko dva magnetna polja. Prvo polje djeluje kao objektiv i odgovorno je za fokusiranje snopa do željenog prečnika. Drugo polje odbija fokusirani snop do željene tačke na radnom stolu.

3.6.1 Prednosti i nedostaci

EBM tehnologija je postala vitalna tehnologija u mnogim industrijama. Neke od prednosti EBM-a su:

-sposobnost da se postigne velika količina energije na maloj površini

-kvalitet topljenja u vakuumu daje visoku granicu tečenja materijala

-vakuumsko okruženje eliminira nečistoće kao što su nitridi i oksidi

-dopušta zavarivanje i kombinaciju različitih materijala

U poređenju sa laserskim sinterovanjem/topljenjem ima i dodatne prednosti:

-veću efikasnost u stvaranju snopa energije što rezultira manjom potrošnjom snage,kao i nižim troškovima održavanja i instalacija

-visoko stvarno prekoračenje snage rezultira sa većim brzinama izrade(topljenja)/(nanošenje slojeva)

-otklon snopa se može postići bez pokretnih dijelova što rezultira velikim brzinama skeniranja i niskim troškovima održavanja.

Neki očigledni nedostaci EBM-a su:

-zahtjeva vakuu koji dodaje još jedan sistem na mašini što košta i mora biti redovno održavano(dodatna korist: vakuum eliminiše nečistoće i pruža dobro termičko okruženje)

-EBM proizvodi X-zrake(rješenje: Vakuumska komora štiti savršeno ako je pravilno dizajnirana)

3.6.2 Najbolja primjena,sada i u budučnosti

Sadašnja istraživanja i razvoj su fokusirana na dijelove visokih performansi unutar automobilske i svemirske industrije,kao i bio-medicini kao što su implantati. Tipična primjena su složeni dijelovi u malim količinama koji bi zahtjevali puno vremena,troškova ili utroška materijala.

EBM tehnologija se također koristi i za proizvodnju dijelova čija geometrija ne bi mogla biti proizvedena nekom drugom vrstom obrade. Primjeri primjene su:

-unutrašnje šupljine za lagan dizajn,optimizacija rasporeda težine

.optimizacija rasporeda materijala i napona u materijalu

-kanali za odvođenje toplote(konforni kanali).

Također,postoji budućnost u izradi prilagođenih implantata koljena i kukova koji će pružiti bolju montažu i omugućavaju dugotrajnije proteze i mnoge ortopedske operacije mogu imati korist od EBM tehnologije.

3.6.3 Prilagođeni implantati

Svake godine preko 500.000 Amerikanaca prođe hirurški zahvat da mi zamjenili istrošena ili dotrajala koljena i kukove.

Jedan od glavnih problema je taj da je svaki čovjek genetski različit tj drugačija je građa kostiju,što utiče na dugotajnost i funkciju implantata-

Korištenjem EBM tehnologije i novorazvijenih legura titana,implatant komponenta može biti proizvedena u samo nekoliko sati.

3.6.4. Materijali

U teoriji,većina proizvodnih materijala se može koristiti u postupku.Inicijalni razvoj tehnologije je bio baziran na željeznim materijalima i procesu za sljedeće materijale:

-alatne čelike

-niskolegirane čelike

-komercijalni čisti titan

-legure nikla