Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine Technologie der additiven Fertigung, die unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie zum Einsatz kommt. Beim EBM wird ein Elektronenstrahl als Energiequelle verwendet, um Metallpulver selektiv Schicht für Schicht zu schmelzen und so völlig dichte Teile zu erzeugen.
Überblick über Elektronenstrahlschmelzanlagen Verfahren
Beim Elektronenstrahlschmelzen wird eine Hochleistungselektronenstrahlkanone eingesetzt, um selektiv Metallpulver zu schmelzen. Der Prozess findet in einer Hochvakuumkammer auf einer beweglichen Bauplatte statt. Hier sind einige wichtige Details:
- Eine Elektronenstrahlkanone erzeugt einen fokussierten, hochenergetischen Elektronenstrahl mit Hilfe elektromagnetischer Spulen und Hochspannungspotential
- Der Elektronenstrahl wird magnetisch gelenkt, ähnlich wie der Kathodenstrahl in Röhrenfernsehern.
- Die Bauplatte wird auf etwa die Hälfte des Schmelzpunkts des Metallpulvers vorgeheizt
- Metallpulver wird durch die Schwerkraft aus Kassetten zugeführt und in dünnen Schichten über die Bauplatte gerakelt
- Der Elektronenstrahl tastet jede Schicht ab und schmilzt Bereiche auf der Grundlage des CAD-Modells.
- Der Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gesamte Teil aufgebaut ist.
- Stützen werden zur Verankerung der Teile auf der Platte gebaut, sind aber leichter zu entfernen als bei laserbasierten Verfahren
- Gängige Materialien sind Titan, Nickellegierungen, rostfreier Stahl, Aluminium, Kobalt-Chrom
Vorteile: Vollkommen dichte Teile mit feinem Gefüge und mechanischen Eigenschaften, die denen von Knetwerkstoffen entsprechen. Gute Oberflächengüte und Maßhaltigkeit.
Nachteilig: Begrenzte Anzahl von kompatiblen Legierungen, höhere Ausrüstungskosten als bei laserbasierten Verfahren, langsamere Fertigungsraten.
Anwendungen: Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, orthopädische Implantate, Automobilteile, konforme Kühlkanäle, Metallgitter.
Metallpulver als Ausgangsmaterial für das Elektronenstrahlschmelzen
Das Ausgangsmaterial für Metallpulver spielt eine entscheidende Rolle für die Qualität der Bauteile und die Materialeigenschaften. Zu den häufig verwendeten Legierungen gehören:
Feine Pulver in optimaler Größenverteilung sorgen für ein stabiles Pulverbett und gleichmäßige Schichten für eine höhere Teilequalität. Plasmazerstäubung und Gaszerstäubung erzeugen kugelförmige Pulver, die für das Packen während der Schichtabscheidung wünschenswert sind.
Lieferanten: AP&C, Carpenter Additive, Sandvik Osprey, Praxair, LPW Technology
Elektronenstrahlschmelzen Prozess-Parameter
EBM-Maschinen verwenden eine eigene Software zur Erstellung von Scan-Strategien und zur Optimierung der Bauparameter. Zu den wichtigsten Parametern gehören:
Die Platte wird auf hohe Temperaturen erhitzt, um die Sprödigkeit zu verringern, Spannungen abzubauen und große thermische Gradienten zu vermeiden. Die Strahlgeschwindigkeit und der Lukenabstand bestimmen, wie viel Energie in jede Flächeneinheit des Pulvers eingebracht wird. Strahlfokus und Schichtdicke beeinflussen auch die lokalen Schmelzbedingungen. Unterschiedliche Scanverfahren wirken sich auf Eigenspannungen und Mikrostrukturen aus.
Vorteile der additiven Fertigung mit Elektronenstrahl
Zu den Vorteilen der EBM gehören:
| Merkmal | Nutzen Sie |
|---|---|
| Hohe Leistungsdichte des Strahls | Schnelles Schmelzen und Erstarren fördert feine Mikrostrukturen |
| Vakuum-Umgebung | Saubere Materialverarbeitung minimiert Oxideinschlüsse und Hohlräume |
| Vorwärmen bei hoher Temperatur | Reduziert Eigenspannungen und Verformungen |
| Vollständiges Abschmelzen | Erreicht eine Dichte von über 99,9 %, ähnlich wie bei geschmiedeten Materialien |
| Traganker | Leichtere Entfernung im Vergleich zu empfindlichen Gitterträgern in Lasern |
| Mehrere Teile pro Build | Effiziente Produktion von Kleinteilen |
Der stark fokussierte Elektronenstrahl ermöglicht eine sehr schnelle und präzise Energieeinbringung in das Pulverbett. Das Vakuum verhindert Verunreinigungen, während die Vorwärmung für die gewünschten Materialeigenschaften sorgt. Dies ermöglicht die volle Dichte bei komplexen Teilen.
Beschränkungen und Vergleiche mit anderen Prozessen
| Beschränkungen | Vergleich mit Lasern |
|---|---|
| Höhere Ausrüstungskosten | Elektronenstrahlsysteme über $750.000 gegenüber $300.000 für Laser |
| Langsamere Bauraten | Bis zu 110 cm3/Stunde für EBM gegenüber 150 cm3/Stunde für Laser |
| Begrenzte Legierungen | 20+ kommerzielle Legierungen für Laser gegenüber 10 für EBM |
| Größe des Teils | 1500 x 1500 x 1200 mm max. für EBM gegenüber 1000 mm Würfeln für Laser |
| Oberflächengüte | EBM gröber bei 25 Mikrometern gegenüber 12 Mikrometern bei DMLS |
| Wärmebeeinflusste Zonen | Kleiner in EBM aufgrund der schnellen Verfestigung |
Der fokussierte Elektronenstrahl kann kleinere Schmelzbäder erzeugen und schneller scannen als Laser, um Defekte zu reduzieren. Aber DMLS und SLM auf Laserbasis sind derzeit schneller und haben eine bessere Oberflächenbeschaffenheit. Auch die Palette der kompatiblen Legierungen für Laser-Pulverbettschmelzverfahren wird durch bessere Mechanismen für die Pulververteilung und -wiederbeschichtung schneller erweitert.
Anwendungen von Elektronenstrahlschmelzen Teile
Einige der Branchen, die EBM einsetzen, sind:
| Industrie | Komponenten |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Raketenteile, UAV-Komponenten |
| Medizinische | Orthopädische Implantate wie Hüften, Knie, Trauma-Geräte |
| Automobilindustrie | Konforme Kühlstrecken, Prototypen |
| Werkzeugbau | Spritzgießformen mit konformen Kanälen |
| Energie | Ventile, Pumpen für die Öl- und Gasindustrie |
Aufgrund des Vakuumverfahrens ist EBM für reaktive Metalle wie Titan und Tantal besonders geeignet. Es wurde in großem Umfang zur Herstellung von TI-6Al-4V-Komponenten für die Luft- und Raumfahrt mit komplexen Innengeometrien verwendet. Im medizinischen Bereich werden EBM-Kobaltchrom und Edelstahl für patientenspezifische Implantate mit knochenähnlichen porösen Strukturen verwendet.
In der Automobil-, Energie- und Werkzeugindustrie werden DMLS und EBM zunehmend für leichte Prototypen, Vorrichtungen und Halterungen mit konformem Kühlungsdesign eingesetzt. Dies verbessert die Durchlaufzeiten und das Wärmemanagement.
Lieferanten von Elektronenstrahlschmelzanlagen
Hier finden Sie einige der wichtigsten Hersteller von EBM-Systemen:
Arcam wurde 1997 gegründet und ist jetzt Teil von GE Additive. Das Unternehmen konzentrierte sich zunächst auf die Herstellung medizinischer Implantate, zielt jetzt aber auch auf die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie ab. Sciaky bietet industrielles EBM in großem Maßstab für Titan- und Nickellegierungen mit einer Länge von bis zu 10 Fuß an. Additive Industries, Trumpf und General Atomics haben ebenfalls EBM-Metall-3D-Drucker für fortgeschrittene Anwendungen in der Entwicklung.
Neben dem Erwerb kompletter EBM-Anlagen haben Kunden auch Zugang zu den umfangreichen Service-Bürokapazitäten von GE auf der ganzen Welt oder können mit lokalen Spezialherstellern zusammenarbeiten, die Metall-AM-Dienstleistungen anbieten.
Zukunftsaussichten für die additive Fertigung mit Elektronenstrahlen
Die Aussichten für das Elektronenstrahlschmelzen sind in allen Industriezweigen vielversprechend, in denen leistungsstarke Metallkomponenten mit komplexen inneren Geometrien benötigt werden:
- Ausweitung der Legierungsoptionen – Edelstahl, Aluminium, Kupfer
- Größere Bauumfänge für den Druck ganzer Treibstoffbündel oder Flugzeugtüren
- Erhöhte Bauraten durch Mehrstrahlsysteme
- Hybride Fertigung durch Kombination von EBM und computergesteuerter CNC-Bearbeitung
- Konstruktionsspezifische Parameter für verbesserte Materialeigenschaften
- Geschlossener Regelkreis für In-situ-Überwachung und -Korrektur
- Spezialisierte Nachbearbeitung zur Verbesserung der seitlichen Oberflächenrauheit
- Simulationswerkzeuge zur Modellierung von Eigenspannungen und Verformungseffekten
Durch die Überwindung von Geschwindigkeits- und Größenbeschränkungen sowie der Verfügbarkeit von Legierungen bei gleichzeitiger Senkung der Kostenkurve könnte der EBM-Markt von derzeit 400 Millionen Dollar bis 2030 auf 5-10 Milliarden Dollar anwachsen. Es wird erwartet, dass die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Automobilindustrie und der Energiesektor diesen kometenhaften Aufstieg im nächsten Jahrzehnt vorantreiben werden.
FAQ
Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zur additiven Fertigung mit Elektronenstrahl:
Welche Materialien können Sie mit EBM verarbeiten?
Die gängigsten Legierungen sind Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI und CoCr, aber auch Nickellegierungen wie Inconel 718, Aluminiumlegierungen, Werkzeugstahl und rostfreier Stahl 316L. Zusammensetzung und Qualität des Pulverrohstoffs müssen den Spezifikationen der Luft- und Raumfahrt und der Biomedizin entsprechen.
Wie genau ist EBM?
Die Maßgenauigkeit erreicht bis zu ±0,2 % mit Toleranzen von bis zu ±100 Mikrometern im Allgemeinen. Um enge statistische Verteilungen zu erreichen, sind jedoch häufig heißisostatisches Pressen und eine maschinelle Bearbeitung zur Verbesserung der Oberflächengüte erforderlich.
Welche Branchen nutzen diese Technologie?
Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Raumfahrt, Medizin- und Dentaltechnik, Automobilrennsport sowie Öl- und Gasindustrie verwenden heute hauptsächlich EBM. Die hohe Strahlenergie in Verbindung mit hohen Kammertemperaturen ermöglicht eine reaktive Materialbearbeitung und hervorragende Materialeigenschaften.
Was ist der Unterschied zwischen EBM und selektivem Laserschmelzen (SLM)?
EBM produziert vollständig dichte Ti-6Al-4V-Teile mit höherer Zugfestigkeit und Dehnung als SLM. Außerdem lassen sich reaktive Werkstoffe besser verarbeiten, und es treten weniger Verunreinigungsprobleme auf. SLM ermöglicht jedoch derzeit höhere Auflösungen, feinere Oberflächengüten bis zu 12 Mikrometer und schnellere Fertigungsraten.
Welche Nachbearbeitungsmethoden werden bei EBM-Teilen eingesetzt?
Abtragen des Trägermaterials durch Strahlen, Trennscheiben oder Drahterodieren und anschließendes Bearbeiten, Schleifen oder Polieren, um die für die jeweilige Anwendung erforderlichen Abmessungen und Oberflächenrauhigkeiten zu erreichen. Heißisostatisches Pressen (HIP) hilft, innere Hohlräume zu beseitigen und Spannungen abzubauen.
Welche Arten von internen Kanälen und Geometrien können mit EBM erstellt werden?
Gerade Kühlkanäle mit flachen Winkeln, dünnwandige Strukturen, Gitter und Netzgeometrien sind üblich. Komplexe Freiformen wie trabekuläre Knochenstrukturen sind ebenfalls möglich. Es wurden Strukturgrößen von bis zu 0,4 mm nachgewiesen, die jedoch mit der Schichtdicke skalieren.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Elektronenstrahlschmelzen im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren für komplexe, hochleistungsfähige Metallkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und im Verteidigungssektor erhebliche Vorteile bietet. Da sich die Möglichkeiten im Hinblick auf größere Fertigungsvolumina, Mehrstrahlsysteme und spezielle Nachbearbeitung weiter verbessern, ist im nächsten Jahrzehnt mit einer breiteren Anwendung in den Bereichen Transport, Energie und industrielle Produktion zu rechnen.