Parametri della saldatura a fascio di elettroni senza vuoto per le parti metalliche stampate in 3D

I ricercatori studiano i parametri della saldatura a fascio di elettroni senza vuoto per le parti metalliche stampate in 3D

Electron Beam Freeform Fabrication, noto anche come EBF3 , è una tecnica di stampa 3D di metallo con alimentazione a filo  sviluppata dalla NASA per l’aeronautica. Ha un tasso di deposizione più elevato rispetto ad altri metodi di produzione rapida, è adatto per la produzione di leghe reattive, come alluminio e titanio, e può stampare forme geometriche complesse senza spreco di materiale. Il filo viene alimentato in una piastra di base e fuso da un fascio di elettroni in un solido, che strato per strato si accumula in una parte di forma quasi a rete. Con CAM, una traiettoria predeterminata viene memorizzata in un computer e la piastra di base o l’alimentazione del filo e la pistola a fascio di elettroni possono essere manipolate allo stesso modo.

Sfortunatamente, EBF3 deve essere eseguito all’interno di una camera, che limita le dimensioni della parte e richiede molto tempo per evacuare. Un team di ricercatori della  RWTH Aachen University e della  Tsinghua University ha pubblicato un articolo, intitolato ” Un nuovo metodo di stampa 3D basato sulla tecnologia del fascio di elettroni non sottovuoto “, sulle loro indagini sull’utilizzo della saldatura del fascio di elettroni non sottovuoto alle parti metalliche stampate in 3D.

L’abstract recita: “La saldatura NVEB (Non-vacuum electron beam) è ampiamente utilizzata nel settore industriale come motivo per i suoi elevati volumi di produzione. Quindi è stato progettato un dispositivo di stampa 3D NVEB basato su una saldatrice a fascio di elettroni non vuoto di SST. Viene eseguita una serie di esperimenti per ottenere una comprensione approfondita della procedura di elaborazione della stampa 3D utilizzando un sistema a fascio di elettroni non vuoto e trovare una finestra di processo adatta. Il risultato mostra che la modalità di trasferimento delle gocce è uno dei parametri più importanti che determina la qualità della deposizione. ”
NVEB è stato utilizzato per la prima volta nell’industria automobilistica, grazie ai suoi elevati volumi di produzione, ed è ora utilizzato in molti campi, come la costruzione di attrezzature e i laboratori di saldatura.

Al fine di ottenere una più profonda comprensione del NVEB, il gruppo di ricerca ha effettuato una serie di esperimenti su una saldatrice a fascio di elettroni non sottovuoto. Hanno installato un’unità di alimentazione del filo e un collimatore, per rendere il filo abbastanza dritto da essere alimentato correttamente, per trasformarlo in un sistema di stampa 3D e anche posizionato quattro staffe per la protezione tra la piastra di base e la piattaforma operativa.

“I morsetti più stabili dovrebbero essere adottati negli esperimenti futuri. L’ondulazione della parte costruita da EBF3 è grande “, hanno scritto i ricercatori. “La procedura di stampa verrà interrotta quando si verifica una grande deformazione della piastra di base. La piastra di base deve essere fissata molto strettamente per resistere allo stress residuo. ”
L’obiettivo era quello di acquisire una più profonda comprensione della procedura del processo di stampa 3D con il sistema NVEB e trovare una buona finestra di processo per la macchina.

“Sono stati effettuati diversi pre-esperimenti per ottenere una conoscenza di base della procedura di elaborazione. Uno degli importanti vantaggi di EBF3 è il più alto tasso di deposizione, che lo rende adatto per realizzare strutture metalliche su larga scala “, hanno scritto i ricercatori. “Per ottenere un tasso di deposizione elevato, la tensione di accelerazione è stata impostata su 150kv. La perdita di energia del fascio di elettroni è di circa il 50% a causa della collisione con l’atmosfera e la parete interna dell’ugello. ”

La deposizione è stata effettuata inizialmente con una traslazione elevata (500 mm / min) e velocità di alimentazione (1 m / min), che in alcuni punti non fondeva completamente il filo a causa della mancanza di calore. La velocità di traslazione è stata quindi abbassata a 400 mm / min, mentre la velocità di alimentazione è stata impostata a 0,8 m / min, il che ha provocato la completa fusione del filo. Il team ha stabilito che quando la velocità di alimentazione era troppo alta, il filo non si sarebbe completamente sciolto.

Altri esperimenti condotti dal team si sono concentrati sull’influenza della modalità di trasferimento delle gocce e sul gap di deposizione tra gli strati; la qualità della deposizione variava a seconda della distanza.

“Non vi è inoltre alcuna differenza evidente quando si deposita un singolo strato all’interno di un divario di deposizione diverso tra gli strati”, hanno scritto i ricercatori.

I ricercatori hanno determinato che una buona velocità di alimentazione del filo è di circa 0,85 ~ 0,9 m / min, poiché le grandi goccioline tendono a formarsi quando c’è troppo filo alimentato nel pool fuso e la velocità di traslazione deve essere impostata a 400mm / min per un stagno fuso costante.

Una distanza di 0,2 ~ 1,7 mm tra la piastra di base e il punto in cui il metallo si fonde è migliore per una deposizione stabile, e se il materiale “deposita un singolo strato all’interno di un divario di deposizione tra linee o strati”, non c’è una differenza evidente.

“Per comprendere meglio la strategia in movimento, un ulteriore esperimento incentrato sull’influenza del divario tra le due linee e gli strati dovrebbe essere fatto in futuro”, hanno concluso i ricercatori. “Un potente dispositivo di raffreddamento della piastra di base deve essere progettato per ottenere un tasso di deposizione più elevato invece di attendere diversi minuti tra ogni linea e ogni strato. L’unità di alimentazione del filo deve essere sincronizzata con il generatore di elettroni. Quindi è possibile testare figure più complicate per trovare il potenziale di questo dispositivo di stampa 3D NVEB. ”
I coautori del giornale sono Shuhe Chang ,  Stefan Gach ,  Aleksej Senger ,  Haoyu Zhang  e  Dong Du.

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