Fusión por haz de electrones (EBM): Impresión 3D de metal rápida y calidad CNC

La impresión 3D de metal ha transformado cómo se fabrican herramientas y piezas complejas de metal. La fusión por haz de electrones, o EBM, es una alternativa sólida al mecanizado CNC y fundición de metal debido a su capacidad para imprimir piezas con la durabilidad y resistencia de los metales pero a las velocidades de la impresión 3D.

EBM es un proceso de fusión de lecho de polvo similar a SLM (fundición selectiva por láser) y SLS (sinterizado selectivo por láser) en que cada capa fina de polvo metálico se deposita sobre una cama calentada y luego se funde o sinteriza en su lugar. Sin embargo, EBM difiere de esos procesos en que la fuente de energía que fusiona el polvo es un haz de electrones en lugar de un haz láser, y el proceso tiene lugar bajo vacío en lugar de a presión atmosférica. Las aleaciones cobalto-cromo y titanio son dos de los materiales más comúnmente usados en impresión 3D EBM.

La historia de la fusión por haz de electrones se remonta a 1993, cuando sus principios fueron patentados por primera vez por la empresa Arcam en colaboración con la Universidad de Tecnología Chalmers en Gotemburgo, Suecia. Su objetivo era crear objetos 3D, capa por capa, fundiendo polvos metálicos eléctricamente conductivos con un haz de electrones. En 1997, Arcam se reorganizó en Arcam AB, que continuó desarrollando y comercializando el proceso de impresión 3D EBM.

En este artículo, profundizamos en la fusión por haz de electrones y discutimos todo, desde qué es, hasta sus ventajas y desventajas, y sus similitudes y diferencias con otros procesos de impresión 3D.

¿Qué es la fusión por haz de electrones (EBM)?

La fusión por haz de electrones es un proceso de impresión 3D que usa polvos metálicos eléctricamente conductivos y haces de electrones para producir piezas capa por capa. Para que el proceso funcione, debe crearse un vacío de aproximadamente 0.0001 mbar en la cámara de impresión. En ausencia de vacío, los electrones de alta energía colisionan más frecuentemente con moléculas de gas, robando al haz la energía que necesita para completar el proceso de impresión. Una vez obtenido el vacío, la plataforma de construcción se calienta a temperaturas extremadamente altas (alrededor de 600-1000℃), y el polvo metálico se deposita precisamente para formar la capa transversal actual de la pieza a imprimir. En ese punto, el haz de electrones se mueve meticulosamente sobre la plataforma de construcción y usa temperaturas aún más altas para fundir y fusionar selectivamente la nueva capa de polvo con las capas previamente impresas. Una vez completada una capa, la plataforma de construcción baja una cantidad equivalente a una capa. Este proceso se repite hasta que toda la pieza se imprime.

Diagrama de fusión por haz de electrones

¿Cuál es la historia de la impresión EBM?

La tecnología de haz de electrones se remonta a 1869 cuando Johann Wilhelm Hittorf y William Crookes experimentaron con rayos catódicos (otro término para haces de electrones) en gases para fundir metales. Sus experimentos llevaron a una serie de descubrimientos. Sin embargo, no fue hasta 1952 que el Dr. h.c. Karl-Heinz Steigerwald desarrolló los primeros procesos prácticos de haz de electrones para uso comercial. En ese momento, los haces de electrones se usaban principalmente para aplicaciones de soldadura. Más de 40 años después, en 1993, los principios y teoría de EBM fueron patentados por primera vez por la empresa sueca Arcam. Esto fue posible gracias a la colaboración con la Universidad de Tecnología Chalmers en Gotemburgo, Suecia. En 1997, la empresa se reorganizó en Arcam AB mientras continuaban desarrollando y comercializando el proceso de impresión 3D EBM. Arcam AB fue adquirida por GE en 2016 e integrada en GE Additive.

¿Cuál es el propósito de la fusión por haz de electrones?

El propósito de la fusión por haz de electrones es fabricar piezas de metal mediante impresión 3D (fabricación aditiva). Más precisamente, la fusión por haz de electrones es un método de construir un componente metálico fundiendo patrones específicos de material juntos, una capa a la vez. Hay muchos enfoques diferentes para la fabricación aditiva, pero el propósito de EBM específicamente es fabricar usando metales con alto punto de fusión. Su aplicación es principalmente en la construcción de piezas complejas e intrincadas para los campos aeroespacial y médico.

¿Cuál es la importancia de la fusión por haz de electrones?

La importancia de la fusión por haz de electrones es que permite usar metales como titanio y aceros de herramientas altamente aleados en aplicaciones de impresión 3D. EBM abre así nuevas posibilidades para componentes que pueden fabricarse. La fabricación aditiva permite construir geometrías que eran imposibles anteriormente, particularmente piezas con internos complejos. Uno de los beneficios de esto es que múltiples componentes pueden fabricarse como un solo componente con fabricación aditiva, simplificando el ensamblaje. Sin embargo, la fabricación aditiva se ha desarrollado mayormente con materiales termoplásticos, ya que son relativamente baratos y tienen puntos de fusión bajos. Esto limita severamente la aplicación útil de piezas impresas en 3D. La importancia de la fusión por haz de electrones es que puede fabricar piezas impresas en 3D de metales como titanio y aleaciones de níquel. Los metales de alto punto de fusión, con su resistencia, biocompatibilidad y resistencia a la corrosión, abren la gama de aplicaciones que pueden beneficiarse de la fabricación aditiva.

¿En qué difiere la fusión por haz de electrones de los métodos de fabricación tradicionales?

La fusión por haz de electrones difiere de los métodos de fabricación tradicionales en que es un método de fabricación aditiva. Esto significa que EBM se usa para fabricar añadiendo sucesivamente material (en un patrón específico) al componente que se construye. Esto es fundamentalmente diferente de los métodos de fabricación tradicionales, que o bien empiezan con un bloque de metal y eliminan material para lograr su forma final (es decir, fresado y mecanizado) o usan moldes para fundir metal fundido en una forma particular, predeterminada. Estos métodos típicamente tienen baja eficiencia de material (alto porcentaje de material reprocesado) y tienen un plazo de entrega largo con costes de utillaje asociados. Con EBM, un componente puede fabricarse directamente desde un diseño digital, y sin desperdicio de material. Sin embargo, sigue siendo una tecnología joven, y los equipos y materiales siguen siendo relativamente caros. Se espera que estos costes bajen a medida que la tecnología madure.

¿Para qué se usa la fusión por haz de electrones?

La impresión 3D por fusión por haz de electrones se usa para fabricación en pequeños lotes y verificación de prueba de concepto de piezas con geometrías complejas. Los sistemas EBM y los polvos usados para impresión son caros, por lo que el proceso rara vez se usa para producción en masa. EBM produce piezas de metal de alta resistencia, que se usan principalmente en las industrias aeroespacial, automovilística y médica. Las piezas impresas en EBM se usan en piezas de alto rendimiento como álabes de turbina, componentes de motor, implantes médicos y prótesis.

¿A qué es similar la fusión por haz de electrones?

La fusión por haz de electrones es similar a otros procesos de impresión 3D de fusión de lecho de polvo, como fundición selectiva por láser (SLM) y sinterizado selectivo por láser (SLS). EBM utiliza un haz de electrones para fundir y fusionar selectivamente polvos metálicos para formar piezas capa por capa. En SLM, un láser funde y fusiona selectivamente polvos metálicos en una plataforma de construcción calentada. SLS es un proceso casi idéntico; sin embargo, polvos poliméricos en lugar de metálicos son sinterizados y fusionados selectivamente por un láser.

EBM difiere de estos dos procesos en el uso de un haz de electrones para crear piezas en lugar de un láser, la necesidad de vacío para imprimir piezas y la necesidad de temperaturas de plataforma de construcción más altas.

¿Cómo funciona la fusión por haz de electrones?

La impresión 3D EBM es posible gracias a un filamento de tungsteno que se calienta en vacío para crear el haz de electrones. Una vez obtenido el vacío, se crea el haz, y los polvos metálicos se depositan en la bandeja de construcción, y la impresión puede comenzar. Los pasos para producir una pieza impresa en 3D EBM se describen a continuación:

1. El polvo metálico se deposita sobre la plataforma de construcción para formar la capa transversal actual de la pieza a imprimir.
2. La presión de la cámara de la impresora 3D se reduce a alrededor de 0.0001 mbar.
3. Cuando se obtiene el nivel de vacío requerido, el haz de electrones se enciende y calienta toda la plataforma de construcción a la temperatura requerida (600-1000℃).
4. Una vez calentada la plataforma de construcción, el haz de electrones se mueve precisamente a la plataforma de construcción para fundir y fusionar las partículas de polvo metálico a temperaturas aún más altas.
5. Cuando se completa una capa, la plataforma de construcción baja una altura equivalente a una capa.
6. Se deposita una capa fresca de polvo, y el proceso se repite hasta que toda la pieza se ha impreso.
7. Las piezas se dejan enfriar —a menudo toda la noche— antes de ser retiradas de la impresora.
8. Después de que las piezas se enfrían, el polvo semi-sinterizado residual y las estructuras de soporte deben eliminarse.

¿Cuáles son los componentes principales de una máquina de fusión por haz de electrones?

Los siguientes son los componentes principales de una máquina de fusión por haz de electrones:

1. Pistola de haz de electrones: Esta es la fuente de energía para la fusión. El haz se crea a partir de un filamento de tungsteno, pero la pistola también incluye bobinas de enfoque y deflexión para dirigirlo a ubicaciones precisas en el área de construcción para fundir.
2. Cámara de vacío (construcción): El proceso de fabricación tiene lugar dentro de la cámara de vacío, en la que se mantiene un vacío para prevenir la oxidación del material.
3. Tolva de polvo: El material en polvo se mantiene dentro de una tolva de polvo, desde la cual se dosifica para fundir.
4. Rodillo de polvo: El rodillo de polvo se mueve a través del área de construcción para extender uniformemente una capa de polvo. El rodillo se mueve a través del área de construcción después de que cada capa se funde, para preparar la siguiente capa a fundir.
5. Plataforma de construcción: La plataforma de construcción es el soporte para el componente construido sucesivamente. La plataforma desciende en incrementos menores, para que el borde superior del componente esté a la altura correcta para que se forme la siguiente capa de polvo.

¿Qué tan precisa es la fusión por haz de electrones?

La impresión EBM es generalmente menos precisa que la impresión SLM. Esto es porque, en SLM, los polvos metálicos usados son típicamente más finos, y las capas de construcción son típicamente más finas que en EBM. Las capas más gruesas en piezas impresas en EBM pueden resultar en acabados superficiales más rugosos. Por tanto, el post-procesamiento puede ser requerido para piezas impresas en EBM para obtener tolerancias y acabados superficiales deseados.

¿Qué materiales pueden usarse en la fusión por haz de electrones?

Solo un rango limitado de metales puede usarse en EBM. Titanio y aleaciones cobalto-cromo son dos materiales comúnmente usados. Ciertos polvos de acero e Inconel 718 también pueden usarse. Porque la fusión por haz de electrones 3D requiere materiales eléctricamente conductivos para construir piezas, los materiales poliméricos y cerámicos no pueden usarse.

¿Puede la fusión por haz de electrones usarse en plásticos?

No, la fusión por haz de electrones no puede usarse en materiales plásticos. La gran mayoría de plásticos no pueden conducir electricidad, y por tanto no pueden atraer un haz de electrones. Además, las temperaturas que se alcanzan en la fusión por haz de electrones superan con creces el punto de fusión de la mayoría de plásticos, lo que causaría carbonización en lugar de fusión.

¿Puede la fusión por haz de electrones usarse en cerámicas?

No, la fusión por haz de electrones no puede usarse en cerámicas típicas. Para atraer el haz de electrones, el material que recibe el haz necesita ser eléctricamente conductor. Esto generalmente limita la tecnología a materiales metálicos, y la mayoría de cerámicas no son eléctricamente conductoras. Aunque algunas cerámicas diseñadas son conductoras, ninguna de estas ha sido desarrollada actualmente para uso con EBM.

¿Cuáles son las ventajas de la impresión por fusión por haz de electrones?

Las ventajas de la impresión 3D EBM son:

1. EBM imprime piezas de alta densidad con buenas propiedades mecánicas.
2. EBM puede imprimir piezas frágiles que de otro modo no podrían producirse usando impresión SLM debido a las temperaturas de impresión aumentadas en EBM.
3. El polvo no usado puede reciclarse y usarse en posteriores trabajos de impresión, minimizando efectivamente el desperdicio y reduciendo costes.
4. Los haces de electrones usados en EBM son más potentes que los haces láser usados en SLM porque el uso de vacío asegura que ninguna molécula extraña pueda interferir con la impresión. Este nivel de energía más alto conduce a velocidades de impresión más rápidas para EBM comparado con SLM.
5. EBM puede producir piezas de alta calidad comparables a métodos de fabricación tradicionales como fundición o mecanizado CNC.

¿Cuáles son las desventajas de la impresión por fusión por haz de electrones?

Las desventajas de la impresión 3D EBM son:

1. EBM puede ser un proceso excepcionalmente caro debido a la tecnología de haz de electrones y polvos metálicos usados.
2. Solo un grupo limitado de metales puede imprimirse usando el proceso EBM.
3. Las piezas impresas en EBM tienden a tener menor precisión dimensional comparadas con piezas impresas en SLM debido a la diferencia en tamaño de partícula de polvo y altura de capa impresa.

¿Qué desafíos enfrenta la fusión por haz de electrones?

EBM es un método de fabricación muy emocionante y prometedor. Sin embargo, hay varias limitaciones con la tecnología actual, que limitan su uso. Por uno, EBM solo está aprobado para usarse con un número limitado de materiales. Más materiales en polvo y grados adecuados para usarse con EBM permitirán servir un mercado más amplio.

Otra limitación de la tecnología es que usa equipamiento bastante complejo. La forma en que el material en polvo se maneja dentro de la máquina, y se extiende uniformemente a través de la superficie de construcción consistentemente para cientos de capas —esto requiere maquinaria más complicada que otros tipos de fabricación aditiva. El haz de electrones en sí también es una fuente de energía compleja.

Estos aspectos se combinan para formar otra limitación de EBM —sigue siendo una técnica de fabricación cara. Por tanto, tiene un conjunto más estrecho de casos de uso rentables, como componentes de alto valor o hechos a medida.

¿Cuál es el flujo de proceso de fabricación de una pieza usando fusión por haz de electrones?

El primer paso en la fabricación usando el proceso de fusión por haz de electrones es tener un modelo 3D electrónico. Este modelo se procesa luego mediante software de "laminado", para reducir el componente 3D en capas individuales a imprimir una a la vez. El archivo 3D laminado se envía entonces a la máquina EBM.

En la máquina, la primera parte del proceso es cargar el material en polvo con el que fabricar. La máquina creará entonces un vacío en la cámara de construcción. Este vacío es necesario para asegurar que los electrones en el haz de electrones no interactúen con ninguna partícula de gas, así como para asegurar que el metal fundido no se oxide.

Una vez comienza la fabricación, una capa fina de polvo se extiende a través del área de construcción. Este polvo se precalienta primero, y luego el haz de electrones se usa para fundir el polvo junto. El haz de electrones sigue una ruta específica para fundir el polvo solo en las áreas necesarias para solidificar esa capa del componente que se construye. Una vez completada la capa, la placa de construcción (y el componente) se baja marginalmente, y una nueva capa de polvo fresco se extiende sobre la parte superior. Este polvo se precalienta y luego se funde por el haz de electrones para crear la siguiente capa. Una vez que la pieza ha sido fabricada completamente, capa por capa, se retira de la cámara de construcción, y se elimina el polvo no fundido en exceso.

¿Cuáles son las temperaturas necesarias para EBM?

La parte de fusión del proceso de impresión 3D EBM puede requerir temperaturas en exceso de 2000℃ para fundir los materiales de alto punto de fusión típicamente usados en proyectos de impresión EBM, como titanio. Las aleaciones de tungsteno pueden requerir fusión a más de 3000℃.

Incluso la fase de precalentamiento de la impresión EBM exige calentar la plataforma de construcción a 600-1000℃. Precalentar la plataforma de construcción a alta temperatura minimiza tensiones residuales en la pieza impresa, resultando en mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, una temperatura de plataforma de construcción más alta requiere una cantidad adecuada de soporte para prevenir que los voladizos se deformen.

Los soportes ayudan a conducir el calor lejos de la pieza y hacia la plataforma de construcción —reduciendo efectivamente tensiones térmicas a lo largo de la pieza.

¿Por qué el proceso EBM se realiza en vacío?

El proceso EBM se realiza en vacío para reducir tensiones residuales en piezas impresas y prevenir oxidación en piezas impresas debido a temperaturas aumentadas. Si no hay vacío, los electrones dentro del haz pueden colisionar con moléculas presentes en el aire.
Esto causará que los electrones colisionen más frecuentemente con moléculas de gas, robando al haz la energía que necesita para completar el proceso de impresión.
En la práctica normal, calentar metales a altas temperaturas como las encontradas en impresión EBM puede llevar a oxidación aumentada, lo que hace el producto final frágil. Sin embargo, en EBM, imprimir dentro de una cámara de vacío elimina virtualmente la oxidación y la falta de ductilidad y tenacidad que puede causar.

¿Qué tipos de productos se fabrican comúnmente usando fusión por haz de electrones?

La fusión por haz de electrones se usa comúnmente para fabricar productos metálicos para aplicaciones especializadas como álabes de turbina para motores a reacción, o componentes de turbocompresor personalizados para automovilismo. Estos tipos de productos se fabrican así ya que pueden beneficiarse de las capacidades de EBM de fabricar piezas complejas con materiales no aptos para fundición típica. EBM también se usa para imprimir en 3D componentes de titanio (biocompatibles) personalizados que se usan para implantes y prótesis en la industria médica.

¿Qué industrias usan predominantemente la tecnología de fusión por haz de electrones?

La tecnología de fusión por haz de electrones se usa típicamente en industrias que requieren componentes especializados de alto rendimiento, tales como:

1. Aeroespacial: EBM se usa para construir álabes de turbina para motores a reacción y otros componentes críticos en la industria aeroespacial.
2. Médica: Los implantes de titanio se fabrican por EBM para la industria médica, debido a la capacidad de la fabricación aditiva de hacer geometrías personalizadas para adaptarse a pacientes individuales.
3. Automoción y automovilismo: Piezas personalizadas de alto rendimiento se fabrican de metales usando EBM, junto con un marco de tiempo de desarrollo más rápido que los métodos de fabricación tradicionales.

¿Cuáles son las aplicaciones de la fusión por haz de electrones?

Las aplicaciones de fusión por haz de electrones se centran en piezas especializadas fabricadas de metales de alto valor como titanio o aleaciones de níquel. Por tanto, las aplicaciones de EBM son principalmente en la industria aeroespacial para artículos como álabes de turbina de motores a reacción, o en la industria del automovilismo para componentes de turbocompresor personalizados. El hecho de que el titanio (que es biocompatible) pueda imprimirse en 3D por EBM también significa que tiene aplicaciones en el campo médico, particularmente ortopedia para prótesis como articulaciones de cadera de reemplazo.

¿Cómo ha impactado la fusión por haz de electrones en la industria aeroespacial?

La fabricación por haz de electrones ha impactado la industria aeroespacial al permitir fabricar nuevos componentes más ligeros con nuevos materiales. El proceso de fabricación de EBM es fundamentalmente diferente del proceso tradicional de fundición. Construir componentes capa por capa permite construir diferentes geometrías y usar diferentes materiales (como aluminuro de titanio). Un ejemplo es la capacidad de hacer álabes de turbina más ligeros para motores a reacción, que luego proporcionan ahorro de combustible debido al peso reducido. EBM también permite hacer cambios de diseño entre unidades, lo que la fundición es incapaz.

¿Hay aplicaciones médicas para la tecnología de fusión por haz de electrones (EBM)?

Sí, hay aplicaciones médicas para la fusión por haz de electrones. Las aleaciones de titanio son un material común usado en EBM, y el titanio también es común para implantes médicos debido a su biocompatibilidad y resistencia. EBM se aplica principalmente dentro de ortopedia, en la que componentes impresos en 3D como articulaciones de cadera son comunes.

¿Se usa la fusión por haz de electrones (EBM) en fabricación de componentes de motor?

Sí, la fusión por haz de electrones se usa en fabricación de componentes de motor en la industria automotriz. Debido al coste de una pieza fabricada con EBM, su uso se limita a piezas especializadas de alto rendimiento como turbocompresores personalizados. EBM se usa más comúnmente en la industria aeroespacial para fabricar componentes para motores a reacción, como álabes de turbina.

¿Cuál es la diferencia entre EBM y SLM en impresión 3D?

SLM (fundición selectiva por láser) es un proceso LPBF (fusión de lecho de polvo por láser). El nombre "SLS" fue originalmente registrado por SLM Solutions (ahora Nikon SLM Solutions Group AG), pero a menudo se usa como término genérico para sistemas LPBF de metal.

Las diferencias entre EBM y SLM en impresión 3D son:

1. EBM usa electrones para fundir polvos, mientras que SLM usa fotones de un láser para fundir polvos metálicos.
2. EBM requiere vacío para imprimir piezas, mientras que SLM imprime piezas con gas inerte a presión cercana a atmosférica.
3. EBM procesa principalmente titanio, cobalto-cromo y algunas superaleaciones base níquel, mientras que SLM soporta una gama más amplia de metales, incluyendo acero inoxidable, aluminio y cobre.
4. EBM generalmente imprime piezas con menor precisión dimensional y superficie más rugosa que SLM debido a su mayor tamaño de partícula de polvo y alturas de capa de impresión requeridas.
5. EBM es más caro que SLM debido a la tecnología EBM y polvos metálicos que se usan.

¿Cuál es la diferencia entre EBM y DMLS en impresión 3D?

DMLS (Sinterizado Directo de Metal por Láser) es casi idéntico a la impresión 3D SLM. El nombre DMLS es marca registrada de EOS GmbH. A pesar del uso de la palabra "sinterizado", el proceso en realidad funde partículas juntas en lugar de sinterizarlas.

Aparte de algunas diferencias en parámetros de impresión entre SLS y DMLS, son fundamentalmente las mismas tecnologías.

Las diferencias entre EBM y DMLS son, por tanto, bastante similares a las entre EBM y DMLS.

1. EBM emplea un haz de electrones de alta energía para fundir polvos metálicos, mientras que DMLS utiliza un láser de alta potencia para lograr el mismo proceso.
2. EBM opera en un entorno de vacío, mientras que DMLS funciona en una atmósfera de gas inerte (como argón o nitrógeno) a presión cercana a atmosférica.
3. EBM se usa principalmente para materiales como titanio, cobalto-cromo y ciertas superaleaciones base níquel, mientras que DMLS acomoda una variedad más amplia de metales, incluyendo aceros inoxidables, aluminio, aceros de herramientas y titanio.
4. EBM tiende a ofrecer menor precisión dimensional que DMLS debido a partículas de polvo más grandes y capas de impresión más gruesas, resultando en acabados superficiales más rugosos.
5. Las máquinas EBM son generalmente más costosas, aunque el gasto real varía basado en la aplicación prevista, elecciones de material y necesidades de producción.

Resumen

Este artículo resumió la tecnología de impresión 3D por fusión por haz de electrones (EBM), incluyendo cómo funciona, sus ventajas, materiales y cómo se compara con otros procesos de impresión 3D. Para saber más sobre fusión por haz de electrones 3D y cómo puede aplicarlo a sus proyectos, contacte a un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es graduado en Ingeniería Mecánica con honores y más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye roles significativos en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló una profunda comprensión de los procesos e innovaciones de ingeniería.

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