Eine Einführung in das Elektronenstrahlschmelzen

Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine additive Fertigungstechnologie für Metall, bei der ein Elektronenstrahl zum Schmelzen von Metallpulverschichten verwendet wird. EBM wurde erstmals 1997 von der schwedischen Firma Arcam eingeführt und ist ideal für die Herstellung von leichten, langlebigen und dichten Endteilen. Die Technologie wird hauptsächlich in der Luftfahrt-, Medizin- und Verteidigungsindustrie eingesetzt.

Im heutigen Tutorial werfen wir einen Blick auf den EBM-Produktionsprozess, seine Vorteile und Grenzen sowie die Materialien und Anwendungsbereiche der EBM-Technologie.

Wie funktioniert das Elektronenstrahlschmelzen?

Das Elektronenstrahlschmelzen gehört wie SLS und DMLS zur Familie der Pulverbettfusion. Im Gegensatz zu anderen Metall-AM-Technologien, die einen Laser als Wärmequelle verwenden, verwendet EBM jedoch einen Hochleistungselektronenstrahl zum Schmelzen von Metallpulverschichten. Die geschmolzenen Metallpulverschichten werden dann zu einem Metallteil verschmolzen.

Eine Schritt-für-Schritt-Ansicht:

1. Die Bauplatte ist mit einer Schicht Metallpulver beschichtet.
2. Während die Schicht vorgewärmt wird, schmilzt der leistungsstarke Elektronenstrahl selektiv Pulver in den vom digitalen CAD-Modell definierten Bereichen.
3. Die nächste Schicht wird dann aufgebracht und der Strahl schmilzt und verschmilzt die Schichten miteinander.
4. Der Vorgang wird wiederholt, bis die endgültige Form eines Teils erreicht ist. Nach dem Entfernen des überschüssigen Pulvers kann das Metallteil anschließend einer Nachbearbeitung unterzogen werden.
   

Um eine Kontamination und Oxidation des Pulvers zu verhindern, findet der Druckprozess in einer Vakuumumgebung statt.

Vorteile von EBM

EBM bietet eine Reihe von Vorteilen, die es von anderen Metall-AM-Technologien unterscheiden.

• Der EBM-Prozess verwendet einen Strahl, der um ein Vielfaches stärker ist als ein Laser – die Hauptwärmequelle, die in anderen Metall-3D-Drucktechnologien verwendet wird. Diese erhöhte Strahlleistung – beim EBM-Prozess werden mehrere Elektronenstrahlen gleichzeitig verwendet – führt letztendlich zu höheren Druckgeschwindigkeiten.
• EBM kann qualitativ hochwertige Metallteile herstellen, die mit denen vergleichbar sind, die mit traditionellen Herstellungsverfahren wie Gießen hergestellt werden.
• Die Teile verfügen nicht nur über starke mechanische Eigenschaften, sondern haben aufgrund des Vorwärmprozesses und der hohen Temperaturen beim Drucken typischerweise auch eine hohe Dichte (über 99%). Das Vorheizen des Druckbetts minimiert auch Restspannungen, ein häufiges Problem beim Metall-3D-Druck, und reduziert den Bedarf an Stützstrukturen.
• EBM bietet minimalen Abfall, da der größte Teil des nicht verwendeten Pulvers für eine zukünftige Verwendung recycelt werden kann – ein besonderer Vorteil angesichts der erheblichen Kosten der in EBM verwendeten Materialien.

Einschränkungen von EBM

• Auf der anderen Seite haben EBM-Teile im Vergleich zu SLM-Teilen normalerweise eine geringere Genauigkeit, da SLM-Drucker feinere Pulver und dünnere Schichten verwenden als EBM. Dickere Schichten können oft zu einer rauen Oberfläche führen und EBM-Teile erfordern eine umfangreiche zusätzliche Nachbearbeitung, um eine glattere Oberfläche zu erzielen.
• Die Auswahl an Materialien, die im EBM-Prozess verwendet werden können, ist eher begrenzt; dies liegt unter anderem daran, dass der Prozess hochwertige und teure Materialien erfordert, die zuvor auch gründlich getestet werden müssen.
• Die Materialkosten sowie die Kosten für EBM-3D-Drucker machen diese Technologie zu einer teuren Option, die nur für industrielle Anwendungen geeignet ist.

Materialien

Eine begrenzte Auswahl an Metallen kann mit EBM verwendet werden, darunter Titanlegierungen (ideal für medizinische Implantate), Kobalt-Chrom, Stahlpulver und Nickellegierung 718. Diese Materialien weisen eine hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und beste mechanische Eigenschaften auf, was extrem . ist wertvoll bei stressigen Anwendungen. Es ist wichtig zu beachten, dass jedes in EBM verwendete Material leitfähig sein muss, da der Prozess stark von elektrischen Ladungen abhängt.

EBM ist Berichten zufolge auch die einzige kommerzielle AM-Lösung zur Herstellung von Teilen aus Titanaluminid (TiAl). TiAl ist besonders bekannt für sein geringes Gewicht, seine Festigkeit und seine Hitzebeständigkeit, obwohl es anfällig für Risse ist.

Gemeinsame Anwendungen

Die häufigsten Anwendungen für die EBM-Technologie finden sich in der Medizin- und Luft- und Raumfahrtindustrie, da die Technologie eine effektive Möglichkeit bietet, leichte und komplexe Teile herzustellen.

• In der Medizinbranche kann EBM zur Herstellung von Trabekelimplantaten und anderen medizinischen Implantaten verwendet werden, die auf die Bedürfnisse des Patienten zugeschnitten sind. LimaCorporate, ein in Italien ansässiger Hersteller von orthopädischen Geräten, war eines der ersten Unternehmen, das das Potenzial der EBM-Technologie für die orthopädische Industrie erkannt hat.
• In der Luft- und Raumfahrt eignet sich EBM besonders zur Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten mit erheblicher Gewichtsreduzierung. GE beispielsweise verwendet die EBM-Technologie bereits zum 3D-Drucken von Turbinenschaufeln für Düsentriebwerke.

Zusammenfassend

Obwohl EBM am besten für anspruchsvolle industrielle Anwendungen geeignet ist, zeigt die Technologie das enorme Potenzial der additiven Metallfertigung. Mit der Fähigkeit, komplexe Metallteile vergleichbar mit traditionellen Fertigungstechnologien herzustellen, bietet EBM eine innovative Lösung für die Herstellung von Kleinserien, Prototypen und sogar Stützteilen im 3D-Druck. Und als die neue Arcam EBM Spectra H auf den Markt kommt, ist klar, dass weitere Innovationen mit EBM am Horizont stehen und ihre Anwendungsfälle auf weitere Industriebereiche ausdehnen.