Công nghệ in 3D Kim loại EB-PBF

Công nghệ in 3D sử dụng chùm tia điện tử (EB-PBF) là gì?

EB-PBF (Electron Beam Powder Bed Fusion) là  công nghệ in 3D kim loại sử dụng chùm tia điện tử để thiêu kết bột kim loại.

Sử dụng nguồn năng lượng là chùm electron, so với phương pháp thiêu kết dùng laser, EB-PBF là phương pháp sản xuất bồi đắp cao cấp hơn, mang lại cơ hội tăng năng suất và kiểm soát tốt hơn các tác động của ứng suất nhiệt trong quá trình in 3D kim loại. 

EB-PBF hoạt động như thế nào?

1. Chuẩn bị vật liệu và buồng in
   • Vật liệu ở dạng bột kim loại (thường là titan, cobalt-chrome, Inconel…).
   • Buồng in được hút chân không để:
     • Tránh oxy hóa kim loại.
     • Tạo điều kiện ổn định cho chùm tia điện tử.
   • Bột kim loại được dàn thành một lớp mỏng
2. Tạo chùm tia điện tử
   • Súng điện tử tạo ra tia điện tử năng lượng cao.
   • Tia này được điều khiển bằng từ trường điện từ (magnetic lenses) để quét chính xác trên bề mặt bột.
3. Làm nóng sơ bộ (preheating)
   • Từng lớp bột được gia nhiệt trước bằng tia điện tử để:
     • Giảm ứng suất nhiệt.
     • Ngăn bột bị bắn tung do năng lượng chùm tia quá mạnh.
     • Tạo một lớp bề mặt bán kết dính giúp in ổn định.
4. Nung chảy từng lớp (melting)
   • Tia điện tử tập trung vào các vùng theo mô hình 3D trong file CAD.
   • Bột kim loại ở vùng đó nóng chảy hoàn toàn và kết dính vào lớp trước.
   • Quá trình được lặp lại cho đến khi tạo thành vật thể hoàn chỉnh.
5. Hình thành sản phẩm
   • Sản phẩm được bao phủ bởi bột chưa nung chảy, giúp:
     • Tiết kiệm vật liệu (vì có thể tái sử dụng).
     • Giữ sản phẩm ổn định trong quá trình in.
   • Khi in xong, khối bột được làm nguội và hút chân không ngắt.
6. Hậu xử lý
   • Gỡ bỏ bột chưa dùng.
   • Cắt các cấu trúc hỗ trợ (nếu có).
   • Có thể cần xử lý nhiệt để tối ưu cơ tính.

Lợi ích củaEB-PBF là gì?

• An toàn. Nguồn năng lượng cao hơn cho phép sử dụng bột kim loại có đường kính lớn hơn. Bột kim loại nặng hơn không gây ra nguy cơ hô hấp tương tự như bột kim loại mịn. Với công nghệ nung chảy bằng chùm tia điện tử, bạn có thể làm việc với bột và ở gần bột mà không nhất thiết phải sử dụng thiết bị an toàn đặc biệt.
• Ít biến dạng hơn. Quá trình nung chảy bằng chùm tia điện tử diễn ra trong môi trường có nhiệt độ cao hơn so với phương pháp nung chảy bột bằng laser, cho phép kiểm soát ứng suất nhiệt tốt hơn. Điều này đồng nghĩa với việc ít cong vênh, ít biến dạng hơn và có khả năng cải thiện độ chính xác kích thước. Điều này cũng có nghĩa là các bước hậu xử lý như ép đẳng tĩnh nóng có thể sẽ không cần thiết.
• Ít giá đỡ hơn.  EB- PBF mang lại kết cấu ổn định hơn. Việc kiểm soát ứng suất nhiệt đồng nghĩa với việc không cần phải dựa vào các cấu trúc hỗ trợ để neo giữ chi tiết tại chỗ chống biến dạng. Thay vào đó, các giá đỡ sẽ giữ chặt các chi tiết tại chỗ trong suốt quá trình chế tạo. Các cấu trúc hỗ trợ có thể mỏng hơn, do đó dễ tháo lắp hơn.
• Năng suất.  So với phương pháp kết dính bột laser, EB- PBF thường năng suất hơn vì hai lý do. Thứ nhất, tốc độ in nhanh hơn. Thứ hai, khả năng xếp chồng các chi tiết và lồng chúng vào buồng in cho phép in được nhiều chi tiết hơn trên mỗi bản in. Việc giảm phụ thuộc vào giá đỡ cũng có khả năng giảm nhu cầu xử lý hậu kỳ. 

Nhược điểm của EB-PBF là gì?

• Thời gian in. Nhiều bộ phận hơn trong khối lượng bản dựng có thể khiến thời gian in lâu hơn, thậm chí có thể mất nhiều ngày để hoàn thành một bản in.
• Làm nguội.  Việc làm nóng trước tất cả các lớp xây dựng sẽ tạo ra một bản dựng hoàn chỉnh rất nóng. Nó phải được làm nguội bên trong máy. Quá trình này có thể mất vài giờ, nghĩa là máy không thể được sử dụng cho bản dựng khác trong thời gian đó.
• Loại bỏ bột. EB- PBF cho phép tạo ra nhiều chi tiết phức tạp về mặt hình học trong khi sử dụng kích thước hạt bột lớn hơn. Điều này có thể làm tăng nguy cơ bột bị kẹt bên trong và khó loại bỏ. Có thể cần thêm các bước xử lý hậu kỳ, chẳng hạn như loại bỏ bột bằng sóng siêu âm và kiểm tra bổ sung.
• Bề mặt hoàn thiện.  So với các quy trình nung chảy bột khác, nung chảy bằng chùm tia điện tử tạo ra bề mặt thô hơn. Hàn chảy bột bằng laser có lợi thế về độ chính xác cao, nhưng cả hai quy trình này đều tạo ra các chi tiết rất gần với hình dạng thực tế.

Phương pháp nung chảy chùm tia điện tử (EB- PBF ) được sử dụng như thế nào?

Các ứng dụng của phương pháp nung chảy bằng chùm tia điện tử (EB- PBF ) mà chúng tôi đã đề cập bao gồm:

• Cấy ghép phẫu thuật tùy chỉnh
• Cấy ghép phẫu thuật sản xuất hàng loạt  Trong một số trường hợp, chẳng hạn như cấy ghép xương hông, bề mặt nhám được thiết kế đã được chứng minh là có lợi cho quá trình chữa lành của bệnh nhân.
• Cánh tuabin, bao gồm cả cánh tuabin dùng để phát điện
• Các bộ phận và dụng cụ mài mòn trong kim loại cứng
• Các thành phần nhẹ cho các hệ thống được sử dụng trong không gian, bao gồm cả xe tự hành trên sao Hỏa
• Các thành phần máy phức tạp, bao gồm cả máy EB- PBF
• Thậm chí còn dùng để tạo ra những bộ phận độc đáo cho động vật ở sở thú

Điểm thành công của phương pháp nung chảy bằng chùm tia điện tử đó là có thể dùng với kim loại cứng, kim loại lạ và các bộ phận kích thước lớn, nhưng cũng có các phần mỏng hoặc tinh xảo, nơi việc kiểm soát biến dạng của bộ phận là rất quan trọng.