Liberando o potencial da fusão por feixe de elétrons por meio de um maior entendimento

A fusão por feixe de elétrons (EBM) é promissora para a fabricação de componentes metálicos complexos, mas as lacunas no conhecimento do processo retardaram a adoção. Este guia desmistifica a EBM ao explorar as propriedades do pó, a modelagem térmica, os impactos dos parâmetros e os casos de uso industrial. O avanço da compreensão das características dos materiais, da simulação e do refinamento da produção é fundamental para otimizar esse processo especializado Impressão 3D técnica

Propriedades do pó metálico essenciais para o processo de fusão por feixe de elétrons

O pó da matéria-prima desempenha um papel importante na fusão por feixe de elétrons, pois é fundido seletivamente usando o feixe de elétrons para criar cada nova camada. Antes do início da fusão, o pó é submetido a uma etapa de pré-aquecimento que faz com que ele se sinterize. Esse processo de sinterização une as partículas e forma gargalos entre elas. Para entender o comportamento da sinterização, os pesquisadores avaliaram o pó de Ti-6Al-4V pré-aquecido usando microscopia. A microscopia eletrônica de varredura revelou a formação de pescoços entre as partículas, variando de 1 a 10 micrômetros de diâmetro. Uma análise mais aprofundada revelou que o pó tinha uma microestrutura de trama de cesta contendo fases alfa e beta, semelhante à microestrutura da liga sólida.

Testes adicionais analisaram os níveis de porosidade do pó e as propriedades térmicas. As amostras de pó foram fabricadas usando fusão de feixe de elétrons e, posteriormente, escaneadas usando micro-CT. Os resultados mostraram uma porosidade de cerca de 50% em todas as amostras. A condutividade térmica também foi medida em temperaturas variadas. Curiosamente, o pó apresentou uma condutividade significativamente menor do que a do Ti-6Al-4V sólido, com valores aproximadamente um quarto maiores. Especificamente, verificou-se que a condutividade era de 0,63 W/mK à temperatura ambiente, aumentando para menos de 2,44 W/mK a 750 graus Celsius.

A compreensão do comportamento de sinterização forneceu informações sobre o pré-processamento do pó durante o EBM. A quantificação da porosidade e da condutividade térmica auxiliou no desenvolvimento de modelos térmicos, essenciais para a simulação do processo de fusão do EBM. De modo geral, a representação precisa dos atributos do pó mostrou-se vital para desmistificar esse novo produto Tecnologia de impressão 3D.

Condutividade térmica de pós de EBM

Os pesquisadores tomaram medidas para medir especificamente a condutividade térmica do pó de Ti-6Al-4V usado na fusão por feixe de elétrons. Isso foi feito por meio da fabricação de amostras contendo regiões sólidas e em pó usando o impressão 3D em metal processo. Os testes então isolaram a condutividade dentro das seções de pó.

Os resultados mostraram que a condutividade do pó era muito menor do que a da liga de titânio sólida. À temperatura ambiente, a condutividade do pó mediu 0,63 W/mK, apenas cerca de um quarto da do Ti-6Al-4V denso. Mesmo em temperaturas mais altas, a condutividade permaneceu baixa em comparação com a contraparte sólida. À medida que as temperaturas subiram para 750°C, a condutividade do pó aumentou um pouco, mas chegou ao máximo de 2,44 W/mK.

Esses dados confirmaram que os pós possuem uma capacidade significativamente reduzida de transferir calor em relação ao metal sólido. Sua baixa condutividade provavelmente decorre da porosidade inerente introduzida durante a produção do pó. Essas propriedades térmicas reduzidas têm consequências ao simular o processo de fusão do EBM.

Simulação do processo EBM usando modelagem térmica

Para entender melhor os fenômenos térmicos durante a fusão por feixe de elétrons, os pesquisadores criaram um modelo de elementos finitos. Essa abordagem de simulação permitiu estudar a distribuição de temperatura entre as peças. Fatores importantes, como propriedades do material que variam de temperatura e fluxo de calor do feixe de elétrons, foram levados em conta. Especificamente, o modelo tratou o aquecimento do feixe como uma fonte de calor cônica que libera energia com base na distribuição gaussiana. A análise de elementos finitos calculou as mudanças de temperatura ao longo do tempo, à medida que o feixe virtual escaneava uma peça camada por camada. Várias configurações de fabricação foram testadas in silico.

Os parâmetros do feixe, como potência, diâmetro e velocidade, foram alterados para analisar seu impacto no tamanho da poça de fusão. Como esperado, a potência mais alta e a varredura mais lenta aumentaram a região fundida. Enquanto isso, o uso de um diâmetro de feixe mais amplo comprimiu as poças de fusão lateralmente, mas reduziu as profundidades. Para avaliar a precisão, as previsões da simulação foram comparadas com os resultados experimentais. As medições envolveram a quantificação de poças de fusão reais de amostras fabricadas. De forma tranquilizadora, as dimensões da poça de fusão previstas pelo modelo geralmente se alinham com as observações físicas. A média dos desvios ficou em torno de 32%, validando a capacidade da simulação de representar os principais fenômenos térmicos.

De modo geral, esse trabalho de modelagem preencheu lacunas na compreensão do processo térmico subjacente à EBM. A simulação validada agora oferece uma ferramenta útil para otimizar as configurações de produção e sondar os impactos térmicos de várias alterações de projeto ou material.

Efeitos da velocidade de varredura no processo de EBM e na peça

Um importante parâmetro de fabricação chamado função de velocidade influencia a velocidade de fusão do feixe de elétrons durante a digitalização. Os pesquisadores fizeram experiências com diferentes índices de função de velocidade para avaliar os impactos.

Índices mais altos correspondiam a um movimento mais rápido do feixe. Isso acelerou o processo de fabricação, mas reduziu a entrada de energia devido ao fato de o feixe passar menos tempo em cada local. Os resultados mostraram superfícies mais ásperas e grãos beta maiores com o aumento dos índices.

As leituras de temperatura revelaram ainda mais o impacto da velocidade de varredura. As temperaturas de pico em torno de 2700°C caíram à medida que os índices subiram e a velocidade aumentou. A velocidade de varredura mais rápida da fusão do feixe de elétrons enfraqueceu a densidade de energia, diminuindo as temperaturas atingidas. A caracterização desses efeitos da velocidade de varredura mostrou-se valiosa. Compreender como as alterações na função de velocidade mudam as condições térmicas e as microestruturas resultantes permite otimizar essa importante variável de fabricação.

Medição de temperaturas durante a EBM usando termografia

Os pesquisadores usaram uma câmera de imagem térmica de infravermelho próximo para monitorar de forma não destrutiva as temperaturas dentro de um sistema de fusão por feixe de elétrons. A sensibilidade do gerador de imagens permitiu a visualização de etapas distintas de fabricação, como pré-aquecimento, fusão de contornos e varredura de hachuras internas.

A resolução espacial das imagens térmicas foi determinada em 46,8 μm por pixel na horizontal e 66,2 μm por pixel na vertical. A partir da captura de vídeo de cada estágio, foi possível gerar perfis médios de temperatura ao longo do caminho do feixe.

Notavelmente, os perfis revelaram uma região de platô característica que liga as temperaturas de mudança de fase liquidus e solidus. Isso validou a capacidade da câmera de detectar transições de fase que ocorrem dentro da poça de fusão. Medições adicionais mapearam o comportamento térmico em diferentes alturas de construção. Os resultados mostraram que as taxas de resfriamento aumentaram mais longe do substrato. As temperaturas de pico também diminuíram mais rapidamente com a elevação devido à condução mais fraca nas camadas subjacentes.

No total, o mapeamento da temperatura por meio da termografia forneceu novos insights sobre o processo de fusão por feixe de elétrons. A comparação de perfis deu suporte adicional a simulações de elementos finitos com o objetivo de modelar realisticamente os fenômenos térmicos. O perfil de temperatura sem contato continua ajudando na otimização e na garantia de qualidade.

Medição de temperaturas durante a fabricação de EBMs

Os pesquisadores usaram uma câmera térmica infravermelha para observar de forma não destrutiva as temperaturas de construção. Esse gerador de imagens no infravermelho próximo pode gerar imagens dos estágios de pré-aquecimento, construção de contornos e escaneamento de peças internas. A resolução da câmera mostrou-se bastante boa, atingindo 46,8 micrômetros por pixel na horizontal e 66,2 micrômetros na vertical. O vídeo capturado durante a impressão permitiu gerar perfis de temperatura média ao longo do caminho do feixe.

Notavelmente, esses perfis exibiam uma região plana característica que ligava as temperaturas de fusão e solidificação. Isso verificou a capacidade do gerador de imagens de perceber as transformações de fase dentro do material de fusão. Outros perfis registraram resultados em diferentes alturas. Os resultados mostraram que o resfriamento acelerou mais longe da base. As temperaturas de pico também caíram mais rapidamente mais acima devido à condução mais fraca para baixo através das camadas depositadas.

Em geral, os mapas de temperatura por meio de imagens térmicas forneceram novas percepções sobre a fusão do feixe de elétrons impressão 3D sustentável processo. Os perfis aumentaram a validade dos modelos computacionais que visam recriar realisticamente os fenômenos térmicos. O perfilamento de temperatura sem contato continua melhorando o domínio e a qualidade do processo.

Efeitos dos parâmetros de fabricação no processo EBM

Atributos do feixe

Os pesquisadores utilizaram simulações térmicas para examinar como os atributos do feixe afetavam a geometria da poça de fusão. Variáveis como potência, diâmetro e velocidade do feixe foram ajustadas de forma independente durante a modelagem da produção de Ti-6Al-4V.

Como esperado, o aumento da potência ou o movimento mais lento expandiram modelagem por deposição fundida e temperaturas máximas elevadas. Ambas as mudanças aumentaram a energia fornecida ao leito de pó. Enquanto isso, o emprego de um feixe de elétrons mais amplo comprimiu as poças de fusão lateralmente enquanto comprimia as profundidades. O feixe distribuiu a energia em uma área maior quando mais largo, diminuindo o calor em qualquer local.

Impacto na velocidade de varredura

Um trabalho adicional experimentou diferentes velocidades de varredura de elétrons. Chamado de função de velocidade, esse parâmetro controlava o movimento do feixe.

O movimento mais rápido foi correlacionado com superfícies mais ásperas e grãos beta maiores nas peças. A redução do tempo de fusão devido à varredura mais rápida reduziu a densidade de potência. As medições térmicas revelaram ainda a diminuição das temperaturas de pico com o aumento da velocidade. Os feixes mais rápidos passaram menos tempo fundindo o pó, gerando menos calor total. A otimização requer o discernimento de como as configurações modificam as condições e propriedades térmicas.

Áreas de aplicação que se beneficiam da tecnologia EBM

Graças à sua flexibilidade na criação de componentes metálicos sofisticados, a fusão por feixe de elétrons encontra aplicação em todos os setores. O setor aeroespacial conta com o EBM para componentes intrincados de motores, como bicos injetores e peças móveis do trem de pouso. O processo fabrica essas peças exigentes de motores a jato usando materiais como ligas de titânio.

O implante médico também utiliza a fusão por feixe de elétrons. Geralmente Materiais de impressão 3D implantes biomédicos personalizados e substitutos dentários. As complexidades possíveis por meio desse processo beneficiam a implantação.

As áreas de soldagem e automotiva também aplicam o EBM. A soldagem o utiliza para fazer conexões soldadas personalizadas entre metais. O setor automotivo utiliza a EBM na fabricação de turbocompressores que precisam de precisão. A tecnologia forma peças de turbo com geometrias refinadas a partir de matéria-prima em pó.

Outros setores se beneficiam. A implementação de produtos eletrônicos precisa de dissipadores de calor e carcaças fabricados com precisão, adequados para Produção de EBM. Os domínios militar e marítimo dão origem a armas e embarcações por meio da fusão por feixe de elétrons no vácuo. Até mesmo o artesanato de joias utiliza a fusão por feixe de elétrons, formando criações ornamentadas de metais preciosos. À medida que a experiência em materiais e processos aumenta, surgem oportunidades de aplicações diversificadas nos setores aeroespacial, médico, de engenharia e outros. A EBM que preenche lacunas de produção especializada inspira o uso em outros setores.

Concolusão

Este artigo forneceu informações sobre a fusão por feixe de elétrons por meio da discussão das características do pó, simulações térmicas, registros de temperatura, configurações de produção e usos. Compreender a composição do pó, modelar o movimento do calor, ajustar os parâmetros e levar em conta as leituras de temperatura continua sendo fundamental para o desenvolvimento dessa tecnologia. A pesquisa contínua promete fazer com que a EBM deixe de ser uma técnica especializada e passe a ser uma aplicação industrial generalizada. Os esforços visam compreender como as propriedades do feixe, as qualidades do material e o ambiente circundante se combinam durante a fabricação.

À medida que a compreensão se fortalece, aumentam as oportunidades de alavancar o processo. Melhorias no controle podem gerar uma produção mais reproduzível. As expansões da linha de materiais facilitam o atendimento às necessidades não atendidas do fabricante. As otimizações do processo acabam reduzindo os custos de fabricação. Assim, o avanço da compreensão abre caminho para que a fusão por feixe de elétrons produza em massa peças metálicas sofisticadas em muitos empreendimentos.

Perguntas frequentes

P: O que é fusão por feixe de elétrons e como o processo funciona?

A fusão por feixe de elétrons é uma técnica de manufatura aditiva que constrói peças metálicas camada por camada usando um feixe de elétrons de alta energia para fundir a matéria-prima em pó. O pó metálico é depositado em uma plataforma de construção dentro de uma câmara de vácuo. Em seguida, um feixe de elétrons examina cada camada, fundindo o pó precisamente de acordo com um arquivo de projeto digital. À medida que as camadas subsequentes se solidificam sobre as anteriores, uma peça densa é construída.

P: Como os pós metálicos influenciam o processo de EBM?

 Os pós metálicos desempenham um papel fundamental como matéria-prima. Suas propriedades, como a porosidade e a condutividade térmica, afetam a forma como o calor é transferido durante a fusão. O pré-processamento também sinteriza o pó, formando gargalos entre as partículas. A compreensão das características do pó ajuda a otimizar o pré-processamento e a modelar o estágio de fusão.

P: Que fatores a modelagem pode capturar sobre o processo térmico da EBM??

 A simulação de elementos finitos leva em conta as propriedades dependentes da temperatura e aproxima o feixe de elétrons como uma fonte de calor volumétrica. A modelagem avalia os impactos de parâmetros como potência, diâmetro e velocidade do feixe nas dimensões e temperaturas da poça de fusão. As comparações com experimentos validam essas simulações.

P: Como as variáveis do processo, como a velocidade do feixe, afetam a fabricação de EBM?

 Um escaneamento mais rápido equivale a uma densidade de energia reduzida, pois o feixe gasta menos tempo fundindo cada local. Velocidades de escaneamento mais altas estão correlacionadas a superfícies mais ásperas, grãos beta maiores em microestruturas e temperaturas de pico de peças mais baixas, tudo isso devido a um aquecimento mais fraco. A caracterização desses impactos orienta a otimização dos parâmetros.

P: Quais setores aplicam o EBM e quais tipos de componentes ele facilita?

R: Os setores que utilizam EBM incluem o aeroespacial, implantes médicos, soldagem, automotivo, eletrônico e outros. Ele permite a criação de peças complexas, como bicos de motores a jato, substitutos dentários, soldas personalizadas, peças de turbocompressores e alojamentos complexos. Os avanços em materiais e processos continuam diversificando a adoção.