Công nghệ in 3D bằng hồ quang, tia điện EBM

EBM

In 3D bằng chùm tia electron sử dụng chùm tia electron để hợp nhất bột kim loại lại với nhau để chế tạo các bộ phận.

In 3d sử dụng chùm tia 3D (EBM: electron beam melting) là một công nghệ in 3D, thoạt nhìn, trông rất giống với in 3D SLS (Selective laser sintering: thêu kết laser chọn lọc). Tuy nhiên, kiểm tra kỹ hơn cho thấy EBM khác nhau theo nhiều cách. Sự khác biệt đáng kể nhất là nguồn năng lượng đến từ chùm tia electron thay vì laser CO2 và vật liệu được sử dụng là kim loại dẫn điện thay vì polymer nhiệt dẻo.

Đặc biệt, EBM thường sử dụng hợp kim titan và không có khả năng in các bộ phận bằng nhựa hoặc gốm. Lý do công nghệ này dựa trên sự sạc điện tích. Chúng là những gì tạo ra phản ứng giữa bột và chùm electron, làm cho chất hóa rắn lại.

Quá trình in:

Tất cả các máy in 3D EBM bao gồm một nguồn năng lượng có khả năng phát ra chùm tia electron, hộp đựng bột, bộ nạp bột, máy tráng bột và bàn máy được nung nóng. Điều quan trọng cần lưu ý là quá trình in phải diễn ra trong chân không. Đó là vì các electron của chùm electron sẽ tác dụng với các phân tử khí, điều này có thể làm mất chùm tia electron.

Chi tiết EBM sau khi in xong

• Trước khi in:

Trước khi quá trình in có thể bắt đầu, thùng bột được chứa đầy bột kim loại mong muốn. Sau đó, thùng bột được đặt vào máy in 3D và áp suất bên trong được đặt ở mức khoảng 0,0001 mBar. Đó là khoảng 10 triệu lần nhỏ hơn so với áp suất khí quyển!

Khi đạt được áp suất mong muốn trong buồng, chùm tia electron được đốt cháy , làm nóng bàn máy đến nhiệt độ cao. Ví dụ, titan yêu cầu nhiệt độ từ 600-700°C. Sau khi bàn máy được làm nóng, quá trình in có thể bắt đầu.

• Quy trình chính:

Việc in 3D bắt đầu với quá trình tái tạo bột, đặt một lớp bột đã được làm nóng từ trước lên bàn máy. Sau khi bột được bỏ vào, quá trình bắt đầu. Chùm electron được điều khiển bởi một tập hợp các cuộn dây điện từ, hướng về các điểm cần in trên bàn máy. Các chùm electron di chuyển có chọn lọc trong khi làm nóng chảy bột và làm cho các hạt bột hợp nhất với nhau.

Sau khi hoàn thành một lớp, bàn máy được hạ xuống một lớp để bắt đầu in lớp kế tiếp. Lớp phủ lại xuất hiện trở lại với một lớp bột mới và chùm electron bắt đầu tạo ra sự hợp nhất của các hạt bột, khiến lớp mới hình thành. Quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ phần được hoàn thành.

Sau khi in: (quá trình xử lý)

Khi hoàn thành, các bộ phận chưa thể thấy ngay lập tức chúng còn đang bị phủ dưới lớp bột ngoài, lớp này phải được loại bỏ để cho ra sản phẩm hoàn thiện cuối cùng ở bên trong.

Loại bỏ lớp bột thừa sau khi in

• Sự biến dạng:

Quá trình in 3D EBM cần nhiệt độ cao, có thể gây ra vấn đề cho các bộ phận. Nếu chúng quá nóng trong một thời gian quá dài, chúng có thể biến dạng. Đây là lý do chính khiến EBM cần những đường dẫn hỗ trợ việc phân tán nhiệt để tránh ổn định cơ học. Giống như SLS loại sau được cung cấp bởi bột bán thiêu kết bao quanh các bộ phận.

Điều thú vị là, trong khi nhiệt độ bộ phận cao không mong muốn, nhiệt độ xung quanh cao có tác dụng giảm ứng suất trên các bộ phận, giúp giảm độ biến dạng. Đây là một lợi ích duy nhất chỉ có với các hệ thống nhiệt hạch nền electron.

• Bước cuối:

Khi các bộ phận đã hoàn thành, thùng bột được lấy ra khỏi máy in 3D. Mặc dù các bộ phận đã được sản xuất, chúng vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng. Để bắt đầu, chúng phải được để nguội.

Mặc dù các bộ phận hỗ trợ được làm từ vật liệu kim loại giống như chính bộ phận đó, chúng được phá vỡ dễ dàng hơn. Sau đó, các bộ phận EBM có thể được đánh bóng, tráng hoặc gia công bằng các kỹ thuật truyền thống.

Ưu & nhược điểm:

Chi tiết EBM trong bộ phận xe đua

Ưu điểm:

• Mật độ dày (từ đó độ bền cao) nhờ nung chảy hoàn toàn bột
• Quá trình in nhanh
• Bột không có tính thêu kết vẫn có thể tái sử dụng
• Không đòi hỏi bộ phận hỗ trợ nhiều so với nung chảy bằng laser

Nhược điểm:

• Thể tích in nhỏ (đường kính tối đa 350 mm và chiều cao 380 mm)
• Lựa chọn vật liệu hạn chế (chỉ hợp kim titan hoặc crom-coban)
• Máy móc và vật liệu đắt tiền

Ứng dụng:

Một sự thật thú vị về in 3D EBM là chỉ có một vài công ty sản xuất máy in 3D. Một trong những công ty được biết đến nhiều nhất là Arcam EBM, một công ty GE Additive, là công ty đi đầu khi EBM mới được quan tâm. Ngoài Arcam, còn có JEOL, Freemelt có trụ sở tại Nhật Bản, cũng như các nhà sản xuất Trung Quốc, như Sailong Metal.

Vì máy in và bột 3D EBM rất đắt tiền, nên không có gì lạ khi công nghệ này chưa được sử dụng để sản xuất hàng loạt. Thay vào đó, nó được sử dụng để sản xuất một loạt các bộ phận thường có cấu trúc phức tạp.

EBM còn được sử dụng trong y học, hàng không và thể thao,…

Một trong những ứng dụng EBM đáng chú ý được sử dụng trong ngành y tế. Với EBM, có thể sản xuất cấy ghép sọ tùy chỉnh, đầy đủ chức năng. Vì các bộ phận EBM bền mặc định, gần giống với hộp sọ thật, hoặc thậm chí bền hơn.