Fabricación aditiva de haz de cátodo de alambre

La fabricación aditiva por haz de electrones con alimentación de alambre (EBAM) es un método de fabricación aditiva que se utiliza para fabricar piezas metálicas de formas complejas y de gran tamaño. El proceso ELAP se basa en el uso de un haz de electrones enfocado al vacío y un filamento metálico (alambre o varilla) como materia prima. Es un análogo del método de producción de haz de electrones de productos de forma arbitraria (del inglés. Electron-beam freeform fabrication, EBF 3 ), desarrollado por la NASA .

El proceso de formación de productos por fabricación aditiva de haz de electrones de alambre

El proceso de impresión 3D de productos metálicos utilizando el método ELAP se lleva a cabo de acuerdo con el esquema. El haz de electrones crea un baño de fusión en un sustrato de metal, en el que se alimenta un filamento de metal. En el proceso de mover la mesa de trabajo y/o el cañón de haz de electrones con el alimentador de alambre acoplado a lo largo de una trayectoria dada, el material de filamento fundido forma una capa de un producto aditivo. Como resultado, el material del filamento, aplicado capa por capa, forma parte de una forma determinada [1] . La trayectoria de impresión 3D es calculada por el software del equipo ELAP en base al modelo CAD desarrollado. El producto formado de la fabricación aditiva por haz de electrones tiene una forma lo más parecida posible a la forma final de la pieza, que posteriormente se logra mediante el mecanizado.

Beneficios de la tecnología

Las principales ventajas de ELAP son [2] :

Costos de material significativamente reducidos (y desperdicio mínimo) en comparación con los métodos de fabricación de polvo convencionales y aditivos
Plazos de entrega significativamente más cortos para prototipos, piezas y procedimientos de posventa (por ejemplo, reparación o remanufactura de piezas dañadas u obsoletas);
Reducción del tiempo de procesamiento hasta en un 80%;
El uso de dos o más alimentadores de alambre permite alimentar varias aleaciones de metal diferentes en el mismo baño de fusión para crear piezas polimetálicas.

Equipos para alambre ELAP

El equipamiento para ELAP cuenta con los siguientes elementos estructurales. La cámara de trabajo y el sistema de vacío, que asegura que la presión residual en la cámara de vacío no sea superior a 1x10 -4 mm Hg. Arte. Debido al alto vacío, la impresión 3D de productos se lleva a cabo en un entorno no contaminado y, por lo tanto, en el proceso de fabricación aditiva por haz de electrones, no es necesario utilizar una atmósfera protectora de gases inertes. En la cámara de trabajo hay una mesa de trabajo, que en la mayoría de los casos se puede colocar a lo largo de 5 ejes: además de los ejes X, Y y Z, se utilizan ejes de inclinación y rotación. Se instala un sustrato de metal en el escritorio, sobre el cual se realiza la impresión. Además, una pistola de haz de electrones y uno o más alimentadores de alambre están instalados en la cámara de vacío. También hay una configuración en la que la mesa solo tiene ejes de inclinación y giro, y la pistola de haz de electrones con el alimentador de alambre se coloca en tres coordenadas. El control de la impresión por haz catódico se realiza principalmente mediante CNC. Con su ayuda, la división numérica del modelo CAD en capas lo convierte en un código G que determina la trayectoria de aplicación de las capas y los parámetros tecnológicos del equipo ELAP. El principal fabricante de equipos ELAP en Norteamérica y Europa es Sciaky [3] , que suministra sus instalaciones a corporaciones como Boeing , Lockhead Martin y otras. En el territorio de la Federación Rusa, los desarrollos en el campo de la tecnología ELAP se llevan a cabo en el Instituto de Ingeniería de Energía de Moscú [4] , en la Universidad Politécnica Nacional de Perm [5] , así como en el Instituto de Física de Fuerza y Ciencia de Materiales. de la Rama Siberiana de la Academia Rusa de Ciencias . Los trabajos de científicos del Instituto de Ingeniería de Energía de Moscú mostraron la necesidad de introducir sistemas de retroalimentación para estabilizar la temperatura de la capa formada [6] , así como la posibilidad de utilizar barridos de haz espacial para controlar la transferencia de metal con el fin de formar capas con una relación altura-ancho dada [7] [8] . El Instituto de Física de Fuerza y Ciencia de Materiales de la Rama Siberiana de la Academia Rusa de Ciencias ha desarrollado la tecnología de ELAP multihaz (MELAP), así como también ha desarrollado equipos ELAP especializados, que actualmente se utilizan en la empresa Cheboksary "Sespel" [9 ] , cuyo vídeo de presentación se puede ver en YouTube .

Investigación científica

Básicamente, la investigación científica dedicada a la tecnología EBAM tiene como objetivo estudiar los procesos de cristalización de materiales en el proceso de metalurgia local no estacionaria, estudiar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales obtenidos aditivamente, así como estudiar los procesos de formación de materiales polimetálicos. Los siguientes son algunos de los temas de investigación importantes de importancia fundamental y aplicada:

El uso de ELAP para la restauración de productos de aleaciones de titanio y otros materiales [10] ;
Estudio de la influencia de parámetros tecnológicos del proceso ELAP, tales como aporte de calor, remoción de calor y velocidad de cristalización, así como la trayectoria de impresión y la geometría de alimentación del alambre [11] , [12] ;
Formación de materiales polimetálicos, incluidos materiales de grado funcional [13] ;
La influencia del procesamiento posterior en la estructura y las propiedades de los productos fabricados aditivamente a partir de diversos materiales, como aceros, aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio, aleaciones de níquel y otros [14] , [15] .

Notas