The electron beam melting technology for metal additive manufacturing : a state of the art analysis

Metal Additive manufacturing (AM) technologies, also known as 3D printing, represent novel manufacturing methods to produce metal parts from different feedstocks (e.g., sheets, wire or powder) by adding material on a layer-by-layer basis. These technologies represent a new production paradigm to produce complex shapes, lightweight structures, internal features and surface patterns that can not be produced with traditional methods, with additional advantages related to a novel way of managing the overall value chain. Recently, rapid technological developments have accelerated the industrial breakthrough of metal AM processes. Electron Beam Melting (EBM) and Selective Laser Melting (SLM) are two metal AM technologies that allow metal part production via powder bed fusion (PBF) process, where the layerwise production is achieved by locally melting a thin layer of metal powder. In this framework, EBM has been attracting an increasing industrial interest for different applications (e.g., in the aerospace and bio-medical sector) where EBM provides several advantages against not only traditional manufacturing processes (e.g., casting and machining), but also against other metal AM processes. This thesis presents a state-of-the-art analysis about the EBM technology, aimed at providing an in-depth assessment of the EBM functioning principles, the benefits and critical issues compared with other processes, the typical defects and the possible monitoring tools to quickly detect them. In order to explore possible monitoring methods to be implemented in the future on EBM systems, a review of in-situ sensing and monitoring solutions in Electron Beam Welding (EBW) was carried out too. The study includes also a set of interviews to key Italian players in this field, which provide an industrial viewpoint about the present and future of EBM systems, either from the end-user and the system developer perspective.

Le tecnologie di manifattura additiva per metalli, note anche come stampa 3D, costituiscono un nuovo metodo per la produzione di parti metalliche da diversi tipi di materia prima (ad esempio sottili lamine, filo o polvere), aggiungendo il materiale strato per strato. Queste tecnologie rappresentano un nuovo paradigma di produzione per la produzione di parti a geometria complessa, strutture di peso leggero, parti con caratteristiche interne e strutture superficiali impossibili da ottenere con metodi tradizionali, con l’ulteriore vantaggio legato a nuovi sistemi per la gestione dell’intera supply chain. Il recente sviluppo tecnologico ha favorito il definitivo ingresso della manifattura additiva per metalli nell’industria. L’electron beam melting (EBM) ed il selective laser sintering (SLM) sono due tecnologie che permettono la produzione di parti metalliche attraverso il processo di fusione di un letto di polvere (PBF), in cui la lavorazione per strati avviene attraverso la fusione localizzata di sottili strati di polvere. In questo contesto, l’electron beam melting ha attratto un crescente interesse del mondo dell’industria per le possibili diverse applicazioni (ad esempio nei settori dell’aerospazio e del medicale), per le quali presenta diversi vantaggi non solo rispetto alle tecnologie manifatturiere tradizionali (come fusione o lavorazioni meccaniche), ma anche rispetto ad altri processi di fabbricazione additiva. Questa tesi riporta un’analisi sullo stato dell’arte circa la tecnologia EBM, con lo scopo di studiare approfonditamente i principi di funzionamento dell’EBM, i benefici e le criticità rispetto ad altri processi, i difetti tipici e i possibili strumenti di monitoraggio per identificarli tempestivamente. Con lo scopo di esplorare le diverse possibilità per il monitoraggio del processo, è stata svolta un’analisi della letteratura riguardante il monitoraggio in-situ per l’electron beam welding (EBW). Lo studio include anche una serie di interviste ai principali player italiani del settore, le quali riportano il punto di vista dell’industria (sia utilizzatori finali che produttori) circa il presente e il futuro dei sistemi EBM.