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ndice: 1.- Descripcin del proceso 1 2.- Materiales aptos para la tcnica 5 3.- Variables de control de proceso 6 4.- Tratamientos previos requeridos 9 5.- Consideraciones tecnolgicas 10 6.- Clculos 11 7.- Aplicaciones 13 8.- Empresas de la comunidad, Espaa y globales que lo aplican 22 9.- Bibliografa 23

EBM Descripcin del proceso

1.- Descripcin del proceso

La tecnologa EBM, propiedad de ARCAM, produce piezas metlicas 100% densas a partir de materiales en polvo y mediante el uso de un can de electrones que funde el material capa a capa generando un volumen. Las piezas fabricadas tienen un acabado similar al de fundicin.

La fusin por haz de electrones (Electron Beam Melting, EBM) es un tipo de

fabricacin aditiva para piezas de metal. Se basa en la obtencin de piezas tridimensionales mediante la fusin capa a capa de polvo con un haz de electrones en un alto vaco. Las piezas que se obtienen son completamente densas y sin poros. Generalmente se clasifica dentro de los procesos de prototipado rpido.

El proceso EBM obtiene la informacin de un modelo CAD 3D y establece las sucesivas capas de polvo requeridas en la fabricacin. Estas capas se funden utilizando el EBM controlado mediante un ordenador. El material fundido, con el que se fabrica la pieza, procede de una aleacin pura en forma de polvo. Por esta razn no es necesario realizar ningn tratamiento trmico adicional para obtener las propiedades mecnicas adecuadas. El proceso se lleva a cabo en vaco, lo que lo hace adecuado para la fabricacin de piezas de materiales reactivos al oxgeno.

Si comparamos el EBM con procesos de fabricacin como SLM (Selective Laser Melting) y DMLS (Direct Metal Laser Sintering), El EBM tiene un ratio de fabricacin superior debido a su elevada energa de densificacin y su mtodo de escaneo. Adems, las tecnologas SLM y DMLS requieren de un tratamiento trmico despus de la fabricacin. Por otra parte, el proceso EBM opera a elevadas temperaturas, entre 700 y 1000C, haciendo piezas que estn libres de tensiones residuales y eliminando la necesidad de realizar un tratamiento trmico posterior.

El principio de fusin consiste en la emisin de un haz de electrones desde la parte superior, que funde selectivamente una capa de material en polvo (esfrico de 45-100 m para reducir riesgos de explosin) depositado previamente en una plataforma de trabajo.

Para cada capa de polvo, el haz de electrones explora primero el lecho de polvo para mantener una determinada temperatura elevada, especfica para cada aleacin diferente. Posteriormente, el haz de electrones funde el contorno de la pieza y finalmente todo su interior. De esta manera las piezas estn libres de tensiones residuales y no sufren de distorsin.

Los electrones proceden de un filamento de tungsteno (wolframio) y son emitidos a mitad de la velocidad de la luz. La funcin de control de la posicin del haz de electrones en el rea de trabajo la ejercen bobinas (coils) posicionadas en los laterales que generan campos magnticos.

Por otro lado, para habilitar el camino del chorro hacia la plataforma de trabajo y evitar su desviacin y prdida de focalizacin, en la cmara de trabajo es necesario crear vaco a 10-4 mbar que se establece mediante una bomba de vaco situada en la parte trasera de la mquina.

El vaco favorece enormemente la buena fusin del metal procesado. Sin presencia de oxgeno durante la fusin, las propiedades mecnicas obtenidas son mucho mejores. Debido a ello, desde el principio la tecnologa de EBM se ha especializado en la fusin de aleaciones no frricas como Ti6Al4V.

La placa de fabricacin, de acero austentico, est situada sobre el polvo sin fijacin alguna. Por debajo de ella est situado un termopar que mide la temperatura de la plataforma. La temperatura de la placa de trabajo es de 650-700C (esto indica que la temperatura de la pieza debe ser superior durante el procesado debido a la limitada evacuacin del calor a travs del polvo). Gracias a la elevada temperatura del rea de trabajo, el polvo suelto en el aire termina sedimentndose en las paredes

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interiores de la campana, por lo que no hay peligro de contaminacin de la mquina por polvo. Este hecho resulta muy importante en la fabricacin de implantes.

Figura 1: Esquema de un EBM

Figura 2: Tecnologa EBM, aspecto real.

Las ventajas ms destacables del EBM son:

Capacidad de procesar cualquier material conductor elctrico. Tecnologa rpida, breve plazo de entrega gracias a la elevada potencia

de chorro de 3000W. La temperatura de polvo ronda 700C, implicando menor salto trmico

respecto a la temperatura de fusin mejoran las propiedades mecnicas y la microestructura de las piezas.

Las piezas tienen alta pureza debido al procesado en vaco. Inversin nula en utillajes: Estas tecnologas fabrican productos

directamente del CAD, no utilizan utillajes

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Al obtenerse piezas slidas como las de la fundicin, se tienen resistencias y caractersticas semejantes pero a un menos costo en pequeas series. Otras ventajas son:

No existen limitaciones geomtricas. Se adapta a las geometras anatmicas. Optimiza las prestaciones mecnicas. Reduce tiempos y costes de fabricacin. El cambio en el diseo no afecta al coste.

Por tanto se presta a la realizacin de piezas a medida. Como desventajas del proceso existen muy pocas, puesto que a pesar de tener

un elevado coste se utiliza para aplicaciones donde el coste es algo ms secundario, como por ejemplo en biomedicina.

El proceso de fabricacin se divide en tres etapas: Etapa 1- Preparacin de la fabricacin: Disponemos del diseo (mediante un

software de diseo 3D) a fabricar. Estos archivos deben ser exportados en formato STL para que podamos montar la fabricacin a travs de un software donde definiremos las posiciones de las piezas en la placa y los soportes para una adecuada transmisin trmica.

Una vez definida la posicin y los soportes, el archivo obtenido es importado al software EBM build assembler donde se definirn; el material, los parmetros de fabricacin (temperatura del rea de trabajo, etc.). Despus procedemos al simulado del proceso donde podremos evaluar tiempos de trabajo y detectar cualquier problema de fabricacin.

Etapa 2- Fases de fabricacin: Ya disponemos del archivo de fabricacin que puede ser enviado a la maquina para su fabricacin.

Este proceso sigue un esquema similar al mostrado a continuacin.

El paso inicial es precalentar el rea de trabajo segn los parmetros definidos.

En esta etapa se realizan varias pasada de forma que tanto el material como el rea de trabajo alcanzan la temperatura de trabajo (650 C a 700 C).

El siguiente paso es el fundido de las secciones correspondiente de cada geometra bajo los parmetros definidos previamente. Realizndose la deposicin de

Capa de polvo de la Aleacin Ti6Al4V Eli de 100 m

Precalentamiento (sinterizado)

Fundicin

Modelo procedente de un CAD 3D o un Escner

Nueva deposicin de capa de polvo

Repeticin del proceso

Objeto 3D

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la siguiente capa de material en polvo, que representa el punto de partida de un nuevo proceso de precalentado y fundido hasta obtener la geometra deseada.

Etapa 3- Post-proceso: En esta etapa se procede a la eliminacin del material

semi-sinterizado que rodea a las piezas recin fabricadas, debido a la elevada temperatura del rea de trabajo. Este proceso se realiza utilizando una arenadora que proyecta material. Una vez finalizado este proceso ya disponemos de las piezas fabricadas.

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EBM Materiales aptos para la tcnica

2.- Materiales aptos para la tcnica En el proceso EBM se utiliza material metlico en polvo. Se puede utilizar cualquier metal siempre que sea conductor. Pero al trabajar en vaco se ha especializado en aleaciones no frricas. Es por eso que, el titanio y sus aleaciones son materiales ampliamente utilizados para la tecnologa de EBM. La unin de los materiales y la tcnica de fabricacin hace que tengan buena aplicabilidad en el mercado de los implantes mdicos. Tambin el sector aeroespacial con sus exigentes aplicaciones mecnicas. El proceso del EBM ha sido desarrollado para la fabricacin de piezas -TiAl con intencin de utilizarse en la fabricacin de palas de turbina para motores de aviacin (Avio SpA)

Figura 3: Polvo metlico utilizado para EBM Los materiales ms utilizados son: Titanio Ti6Al4V Titanio Ti6Al4V ELI Titanio Grado 2 Cobalto-cromo, ASTM F75 Aluminuro de titanio Inconel (625 y 718) Acero inoxidable (17-4) Acero para herramientas (H13) Aluminio (AA 6061) Metal duro (NiWC) Cobre (GRCop-84) Berilio (AlBeMet) Metales amorfos Niobio Invar

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EBM Variables de control de proceso

3.- Variables de control de proceso

Las caractersticas tcnicas de la tecnologa EBM han de ser tenidas en cuenta en los diseos a plantear puesto que condicionan las futuras fabricaciones, las ms destacables son:

Volumen del tanque [mm3] 250x250x200 (380)

Tamao de pieza mximo [mm] 200x200x180 (350)

Precisin dimensional [mm] +/- 0.4

Velocidad de trabajo [cm3/min] hasta 60

Grosor de capa [mm] 0.05-0.2 (valor medio a 0.1)

Distribucin de tamao de polvo [m] 45-100

Potencia de haz [W] 3.500-4.000

Temperatura de la plataforma [C] 700

Presin de vaco durante la fabricacin [mbar] 10-3-10-4

A la hora de definir los parmetros de procesado de la tecnologa EBM, aparecen una gran variedad de ellos. An cuando detallarlos todos sera una tarea ardua y profusa, a continuacin se indican, algunos de los que son los parmetros ms relevantes y que influirn de forma directa en las propiedades finales del producto fabricado. Indicar que estos parmetros pueden ser diferentes para las diferentes zonas de pintado (contorno, interior, etc.).

Velocidad de pasada del haz: El haz de electrones se desplaza por el rea de fabricacin a una determinada velocidad. Este parmetro es denominado Speed function y condicionar la cantidad de energa que se aporta por cm3.

Potencia del haz de electrones: viene determinada por la cantidad de

electrones emitidos desde el filamento de Wolframio y por tanto, relacin directa de la intensidad. El parmetro que nos permite controlar la intensidad y por tanto, la potencia se denomina Goal Current y condicionar junto a la velocidad de desplazamiento del haz, la cantidad de energa que se aporta por cm3.

Dimetro del foco: Es posible controlar el dimetro del foco dentro del rango

de valores, medidos en miliamperios, entre 0 y 200 mA. A mayor valor en mA mayor dimetro del haz de electrones. El parmetro de mquina es denominado Focus Offset.

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Figura 4: Superior: Concepto del parmetro Focus Offset Inferior: Concepto

del parmetro Line Offset Separacin entre haces: El haz de electrones trabaja siguiendo unas lneas

patrn en el rea de trabajo. El parmetro Line Offset regula la distancia entre 2 lneas contiguas, de modo que entre una pasada del haz y la siguiente puede quedar un espacio como en d1 (imagen izquierda) las pasadas pueden solaparse como en d2 (imagen derecha). El valor estndar suele ser 1.2 mm.

Ordenacin de los haces durante el precalentamiento: A su vez, la placa de

fabricacin est dividida en lneas por donde pasa el haz de electrones, el parmetro Line Order controla en qu orden se realizan las lneas del rea de trabajo durante el precalentamiento. Por tanto, controla el tiempo que transcurre entre que una lnea es calentada y cargada negativamente hasta que el haz pasa por las lneas adyacentes.

Gracias a este parmetro podemos controlar la temperatura de precalentamiento del polvo antes del fundido y por tanto, del rea de trabajo. Si el tiempo es demasiado breve se produce SMOKE, efecto causado por la repulsin generada entre los electrones emitidos por el haz y la carga negativa generada en la capa en la pasada previa.

Figura 5: Parmetro Line Order

Placa de fabricacin 144 x 144 mm

1,2 mm

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Existen una gran variedad de parmetros sujetos a control para la fabricacin

mediante la tecnologa del EBM, tal y como hemos visto anteriormente. Una posibilidad es utilizar unos parmetros del proceso propuestos por el fabricante, como la corriente de fundicin, el dimetro del foco y la funcin de velocidad que controla la potencia del haz, el foco del haz y la velocidad del mismo. Estos valores pueden ser variados tanto para el interior de la pieza a fabricar como para su contorno.

Por ejemplo, los parmetros normales de funcionamiento para fundir Ti6Al4V Eli definidos por el fabricante son: una la corriente de fusin del haz de 10 mA, un foco de desplazamiento de 17 mA (dimetro del haz ~455 m), y velocidades de 188 mms-1

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EBM Tratamientos previos requeridos

4.- Tratamientos previos requeridos

El nico requerimiento del proceso es que para la fabricacin con EBM se debe trabajar con polvo.

Al utilizar como material de partida polvo puro o aleado, no se requieren tratamientos previos. Aunque se exigen unas condiciones de procesado, que dependern del material, puesto que debemos trabajar en vaco y se necesita mantener una temperatura en el rea de trabajo de unos 700C. El proceso tampoco requiere tratamientos trmicos posteriores.

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EBM Consideraciones tecnolgicas

5.- Consideraciones tecnolgicas De la informacin anteriormente mostrada podemos destacar a nivel general que;

Debido a que el rea de fabricacin est calefactada (650-700C) el

material est aglomerado- no existe la necesidad de generar soportes, ya que el mismo material actuar como soporte volumtrico (volume support) y por tanto, no es necesario tenerlo en cuenta en el diseo.

Al procesar los materiales mediante un haz de electrones de muy alta

potencia (3000 w) es necesario, sin embargo, tener en cuenta la evacuacin de la temperatura, diseando las piezas de forma que las zonas ms volumtricas se encuentren lo ms prximas a la placa de fabricacin.

Debido tambin a la necesidad de evacuar dicha temperatura, es obligatorio

introducir a lo largo de la superficie estructuras (similares a los soportes) para dicha eliminacin que denominamos soporte barquillo (wafer support).

Es necesario aadir que aun cuando la tecnologa est capacitada para

obtener huecos o cavidades (estructuras tridimensionales) entorno a 0.4 mm, la posibilidad de extraer el polvo de las cavidades (el polvo se encuentro aglomerado a 650-700C) se hace imposible para una profundidad por encima de 10 mm.

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EBM Clculos

6.- Clculos

No se han encontrado datos de los clculos que se pueden realizar para la programacin del proceso EBM. De forma que en este apartado se incluyen datos tcnicos de dos mquinas de EBM de la casa ARCAM.

Figura 6: Maquina EMB ARCAM Q10.

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EBM Clculos

Figura 7: Maquina EMB ARCAM A2.

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EBM Aplicaciones

7.- Aplicaciones El proceso EBM tiene mltiples aplicaciones. La primera que se destaca es la utilizacin de la tcnica en biomedicina para la construccin de implantes. En esta aplicacin resulta interesante la facilidad que ofrece la tcnica para el diseo a medida y por tanto para la creacin de piezas nicas adaptadas totalmente al caso prctico de cada paciente. Tambin cabe destacar la posibilidad de crear piezas con cierta estructura que para otras tcnicas de fabricacin sera complicado realizar.

Figura 8: Placa craneal

Figura 9: Cotilos y fmur con estructuras espaciales..

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EBM Aplicaciones

Figura 10: Columna vertebral. La otra gran aplicacin de la tcnica es en el sector aeroespacial. La industria aeronutica es otra de las industrias en las que el coste del producto no es lo ms importe. Es la facilidad de variacin del diseo y el hecho de la facilidad de fabricacin de tiradas cortas los aspectos de la tecnologa EBM que ms interesan, sobretodo en el sector aeroespacial y para la fabricacin de piezas para satlites.

Figura 11: labes de turbina.

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EBM Aplicaciones

Figura 12: Diferentes piezas aeronuticas y de formula 1 con los tiempos de

fabricacin.

Figura 13: Pieza de un tren de aterrizaje en Ti6Al4V.

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EBM Aplicaciones

Figura 14: Alabe de turbina de baja presin de Avio SPA. Otro campo de aplicacin es la industria del automvil, sobretodo en Formula 1, cuando no importa el coste y generalmente son piezas de produccin muy limitada que van incluyendo cambios y mejoras continuamente.

Figura 15: Llanta de frmula 1

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EBM Aplicaciones

Figura 16: Suspensin de un coche de carreras.

Figura 17: Tubos de escape para F1 en cromo-cobalto. Tambin tiene aplicacin en la industria naval, para componentes ms o menos complejos de mecanizar de forma convencional.

Figura 18: pieza de un motor nutico.

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EBM Aplicaciones

Figura 19: Hlice propulsora.

Figura 20: componentes hidrulicos con canales interiores complejos. Finalmente, se presenta la fabricacin de barras para investigacin donde se puede ver el paso por las diferentes etapas del proceso:

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EBM Aplicaciones

Figura 21: Dentro de la maquina.

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EBM Aplicaciones

Figura 22: Tocho recin procesado.

Figura 23: Eliminacin del polvo sobrante.

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EBM Aplicaciones

Figura 24: barras obtenidas.

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EBM Empresas de la comunidad, Espaa y globales que lo aplican

8.- Empresas de la comunidad, Espaa y globales que lo aplican

Dentro de la comunidad valenciana el proceso EBM lo utilizan, en AIMME.

En Espaa, el ITC (Instituto Tecnolgico de Canarias) dispone de un EBM, la empresa AIDA (Aplicacions Industrials i de Disseny Avanades SL) en Barcelona.

Empresas que utilizan el proceso EBM:

Avio SpA para la produccin de palas de la turbina en -TiAl de motores de avin, Adler Ortho, LTO-Lima, C.R.P. Technology S.R.L. y eurocoating en Italia. Y Spark Power y TWI en Inglaterra.

Estas tres ltimas se han asociado junto con algunas otras ms en HiResEBM para el desarrollo dela tecnologa EBM para la fabricacin de implantes mdicos de alta resolucin. Las empresas asociadas son las siguientes:

Empresa Pas Arcam Suecia Eurocoating Italia Spark Power Ltd. Reino Unido LPW Reino Unido TWI Reino Unido AIMME Espaa

Los fabricantes de la tecnologa EBM son: Arcam AB, una empresa sueca fundada en 1997 en Estocolmo.

http://www.arcam.com/index.aspx Synergeering Group, empresa americana fundada en 2001 en Farmington Hills, Michigan.

http://synergeering.com/ebm.php

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EBM Bibliografia

9.- Bibliografa

1. Fabricacin Aditiva. Documentos COTEC sobre oportunidades tecnolgicas. Fundacin COTEC para Innovacin tecnolgica.

2. SRA Manufuture 2006 Assuring the future of manufacturing in Europe 3. ASTM F2792 10 e 1 Standard Terminology for Additive Manufacturing

Technologies. 4. Terry Wholers; Wohlers Report 2010. Estado de la Industria. Informe anual de

progreso mundial. ISBN 0-9754429-6-1. http://wohlersassociates.com 5. A. Christensen, A. Lippincott, R. Kircher. Qualification of Electron Beam Melted

(EBM) ti6al4v-eli For orthopaedic implant Applications. Medical Modeling LLC (Golden, CO), Engineering Consulting Services, Inc. (Prior Lake, MN)

6. http://www.aimme.es/ 7. http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_beam_melting 8. http://www.arcam.com/technology/ebm-process.aspx 9. http://www.rm-

platform.com/index2.php?option=com_docman&task=doc_view&gid=21&Itemid=5

10. http://www.engineershandbook.com/RapidPrototyping/ebm.htm 11. http://observatorio.aimme.es/oportunidades/ficha.asp?id=9918 12. http://www.aserm.net/proyectos/proyecto-flexman/tecnologias/electro-beam-

melting-ebm/ 13. http://www.slideshare.net/cdyte/prctica-impartida-por-donato-monopoli 14. http://web.ald-vt.de/cms/?id=63 15. http://prunam5.blogspot.com.es/ 16. http://www.aserm.net/wp-content/uploads/2011/05/guia-design02_aserm.swf 17. http://www.aida-sl.com/index.html 18. http://www.eic.cat/gfe/docs/10585.pdf 19. http://www.hiresebm.eu 20. http://dc359.4shared.com/doc/1mE6154c/preview.html

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