EBM vs. LPBF: Welche Pulverbettschmelztechnologie ist zu wählen?

Die additive Fertigung von Metallen hat in den letzten Jahren ein exponentielles Wachstum erfahren und ermöglicht die Herstellung komplexer Formen bei gleichzeitiger Steigerung von Leistung und Qualität. Zahlreiche Verfahren bieten diese Möglichkeiten: Laserschmelzen, direkte Energieabscheidung (DED), Binder Jetting usw. Eine der am weitesten verbreiteten Verfahrensfamilien ist auch heute noch das Pulverbettschmelzen. Unter diesen Verfahren unterscheiden sich zwei Techniken hauptsächlich durch die verwendete Wärmequelle: Laserschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) und Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM). Das Prinzip ist dasselbe: Metallpartikel werden auf einer Druckplatte Schicht für Schicht verschmolzen, um das gewünschte 3D-Modell zu erzeugen. Die Verwendung eines Lasers oder eines Elektronenstrahls zur Durchführung dieses Vorgangs ist jedoch offensichtlich anders. Welches Verfahren also zu wählen ist, welche Eigenschaften diese beiden Techniken haben, was die Gemeinsamkeiten und Unterschiede sind, erfahren Sie in diesem Artikel!

Die Technologien LPBF und EBM

Wie der Name schon sagt, beruhen beide Technologien auf dem Schmelzen eines Metallpulverbettes durch eine Wärmequelle. Dieser Prozess findet in einer geschlossenen Kammer statt und führt zu festen und dichten Teilen. Daher ist die verwendete Wärmequelle unterschiedlich. Im Zusammenhang mit dem Laser-Pulverbett-Schmelzen ist es zunächst notwendig, die Begriffe für dieses Verfahren und die verschiedenen Akronyme zu klären. Wir hören oft von SLM, DMLS oder LPBF. Das Prinzip bleibt das gleiche. Der Begriff SLM (Selective Laser Melting) stammt vom Fraunhofer Institut, während DMLS (Direct Metal Laser Sintering, was eigentlich ein Schmelzen und kein Sintern ist) vom Hersteller EOS stammt. Im Folgenden wird der allgemeinere Begriff LPBF verwendet.

Der 3D-Drucker arbeitet mit einem oder mehreren Lasern, heute gibt es Maschinen mit bis zu zwölf Lasern. Bei den LPBF-Maschinen handelt es sich um einen Faserlaser. Zunächst wird eine inerte Atmosphäre in der Kammer geschaffen und diese auf die gewünschte optimale Temperatur aufgeheizt. Eine erste Schicht Metallpulver wird auf die Bauplatte aufgetragen. Anschließend verschmilzt der Laser die Pulverpartikel in der gewünschten Form. Die Intensität des Lasers wird durch das verwendete Metall bestimmt. Ziel ist es, den Schmelzpunkt des Materials zu erreichen, damit es vom Laser vollständig aufgeschmolzen werden kann und nach dem Abkühlen wieder erstarrt. Der Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt.

Wenn wir uns nun auf das Elektronenstrahlschmelzen konzentrieren, ist es wichtig, eine Vakuumkammer zu verwenden, um eine Oxidation des Metallpulvers zu vermeiden. Sobald diese Umgebung geschaffen ist, wird das Material, das leitfähig sein muss, auf die Druckplatte aufgetragen, und dann sendet eine Elektronenkanone einen Strahl aus. Geleitet von einem Magnetfeld können die erzeugten Elektronen die Pulverpartikel miteinander verschmelzen und so Schicht für Schicht das gewünschte Teil gestalten. Diese Elektronen können Temperaturen von bis zu 2000°C und ultraschnelle Geschwindigkeiten erreichen.

Technische Merkmale

Die Entscheidung für das Laserschmelzen oder das Elektronenstrahlschmelzen hängt von den Bedürfnissen des Anwenders ab: Ist eine hohe Qualität der Teile erforderlich? Welches Volumen soll produziert werden? Ist das Projekt dringend? Wie Sie sicher verstanden haben, beeinflussen viele Kriterien die endgültige Entscheidung. Bei dieser Gelegenheit möchten wir Ihnen die wichtigsten Unterschiede in Bezug auf die technischen Merkmale vorstellen, damit Sie die beste Wahl treffen können.

Druckqualität

Die Druckqualität ist ein entscheidender Faktor, vor allem wenn es um die fertigen Teile geht. Ob LPBF oder EBM, Sie erhalten im Allgemeinen präzise, dichte und solide Teile. Allerdings ist die Oberfläche nicht die sorgfältigste und die Teile sind rau. Die additive Fertigung von Metallen erfordert häufig Nachbearbeitungsschritte, um eine glattere und besser bearbeitete Oberfläche zu erhalten.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Einsatz eines Lasers eine höhere Präzision ermöglicht. Die Pulverpartikel werden nämlich feiner aufgeschmolzen, was es ermöglicht, Teile zu entwerfen, die eine weniger grobe Oberfläche aufweisen als beim EBM-Verfahren. Darüber hinaus sind die bei LPBF verwendeten Pulverpartikel feiner und die Schichtdicken geringer. Dies trägt zu einer besseren Druckqualität im Vergleich zu EBM bei.

Geschwindigkeit

Im Allgemeinen ist das Elektronenstrahlschmelzen schneller als das Laserschmelzen. Die emittierten Elektronen sind zahlreich und in der Lage, Partikel gleichzeitig zu verschmelzen, da der Strahl seine Energie über den gesamten Drucktisch abgibt. Der Laser hingegen muss die Fusion Punkt für Punkt durchführen, was viel länger dauert. Die LPBF-Maschine verwendet ein Galvanometer, d. h. einen Satz beweglicher Spiegel, um den Laser entlang der Druckplattform zu lenken. Die Druckgeschwindigkeit hängt natürlich von der Anzahl der Laser in der LPBF-Maschine sowie von deren Leistung ab. Wie Sie sich vorstellen können, ist ein 3D-Drucker mit nur einem Laser weniger effizient als ein Gerät mit zwölf Lasern. Die Vorwärmung des 3D-Druckers sowie seine Kühlung müssen bei der Bewertung der Herstellungszeiten berücksichtigt werden.

Volumen

Das Pulverbettschmelzen allgemein ist nicht gerade für die Produktion großer Mengen bekannt. Hier setzen wir eher auf die direkte Energieabscheidung (DED). Je größer die Maschine ist, desto länger ist die Vorwärmzeit des Materials und desto mehr Energie wird benötigt, was nicht unbedingt ein Vorteil ist. Allerdings kann man sagen, dass LPBF ein größeres Volumen zulässt. Erstens gibt es mehr Maschinen dafür auf dem Markt, was eine größere Auswahl an Volumina ermöglicht. Eine der größten Lösungen bietet zum Beispiel ein Volumen von neun Tonnen, während die gängigsten Größen etwa 250 x 250 x 300 mm betragen. Bei EBM ist die Auswahl viel begrenzter, da es nur sehr wenige 3D-Drucker auf dem Markt gibt. Das vorgeschlagene Volumen erreicht nicht das der LPBF-Maschinen, in diesem Fall handelt es sich eher um 200 x 200 x 200 x 200 mm, mit der Möglichkeit, bis zu 300 x 300 x 450 mm zu gehen.

Materialien

Es ist sehr wichtig zu beachten, dass das Elektronenstrahlschmelzen nur mit leitfähigen Metallen kompatibel ist. Das Prinzip des Verfahrens beruht auf einer elektrischen Ladung und muss notwendigerweise mit einem Material arbeiten, das diese durchlässt. Dies ermöglicht das Drucken von Teilen aus Kobalt-Chrom, Kupfer, Titan, Edelstahl oder sogar Nickellegierungen. Es ist möglich, das vom Strahl nicht geschmolzene Pulver wiederzuverwenden, was eine erhebliche Einsparung an Ressourcen bedeuten kann.

Beim Laserschmelzen ist die Palette der kompatiblen Materialien breiter. Die am häufigsten verwendeten Metalle sind Aluminium, Titan, Stahl und verschiedene Legierungen oder Kobalt-Chrom und Kupfer. In beiden Fällen muss das Staubmanagement mit großer Sorgfalt und mit den erforderlichen Schutzmaßnahmen (Masken, Handschuhe, Schutzbrillen) durchgeführt werden. Je feiner die Staubpartikel sind, desto wichtiger sind die zu treffenden Vorsichtsmaßnahmen. Daher besteht bei LPBF ein höheres Risiko.

Nachbearbeitung

Nach Abschluss des Druckvorgangs ist bei beiden Verfahren eine Phase der Reinigung des Teils erforderlich. Es ist nämlich notwendig, das überschüssige Pulver zu entfernen, das nicht verschmolzen wurde. Das Polieren ist je nach der Form der Teile mehr oder weniger zeitaufwendig. Meistens werden spezielle Geräte verwendet, wie z. B. Sandstrahlanlagen.

Dann folgt die Phase des Entfernens der Support-Strukturen. Beim Elektronenstrahlschmelzen werden in der Regel weniger Stützstrukturen benötigt. Durch den Einsatz einer Vakuumkammer und durch die kontrollierte Vorwärmung jeder Schicht wird die Verformung begrenzt und die Teile werden stärker, sodass während des Drucks weniger Stützen benötigt werden. Bei LPBF sind Stützstrukturen erforderlich, um Verformungen durch hohe Temperaturen zu vermeiden, aber auch um die Wärmeableitung zu fördern und Spannungen zu verringern, wenn das Material abkühlt. Je nach der Geometrie des Teils ist die Anzahl der Stützen höher oder niedriger. Sie werden durch Bearbeitung, Schneiden oder Drahterodieren entfernt.

Wie oben erläutert, sind beide Verfahren der additiven Fertigung von Metallen nicht gerade für ihre ästhetische Qualität bekannt. Wenn eine glatte Oberfläche gewünscht wird, müssen weitere Nachbearbeitungsschritte, wie z. B. das Polieren, durchgeführt werden. Dies gilt insbesondere für das EBM-Verfahren, da die Oberflächengüte zu wünschen übrig lässt. Was schließlich die Wärmebehandlung betrifft, d. h. die verschiedenen Methoden zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Teile, so ist sie beim EBM nur selten erforderlich. Wenn man sich für das Laserschmelzen entscheidet, kann es interessant sein, Techniken wie das heißisostatische Pressen anzuwenden, um alle inneren Hohlräume zu entfernen und die Restporosität zu beseitigen.

Hauptanwendungen von EBM- und LPBF-Verfahren

Beide Technologien werden in der Hochleistungsindustrie eingesetzt, aber ihre Anwendungen unterscheiden sich aufgrund ihrer einzigartigen Verarbeitungsmerkmale. Das Elektronenstrahlschmelzen zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, schwer zu bearbeitende Materialien zu verarbeiten und Teile mit hoher mechanischer Festigkeit herzustellen. In der Vergangenheit gab es zwei Bereiche, in denen sich das Elektronenstrahlschmelzen besonders bewährt hat: die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik. In der Luft- und Raumfahrt wird es am häufigsten für die Herstellung von Turbinenschaufeln eingesetzt. Colibrium Additive zum Beispiel druckt im Vakuum Tausende von Turbinenschaufeln aus Titan für das GE9X-Turbotriebwerk von GE Aerospace. In der Medizin wird der EBM-3D-Druck in großem Umfang für die Herstellung von orthopädischen Implantaten verwendet, z. B. von Hüftpfannen für Hüftprothesen. Das poröse Design, das dieses Verfahren bietet, erleichtert das Knochenwachstum in der Pfanne, wodurch das Implantat leichter befestigt werden kann.

Die LPBF-Technologie eignet sich hervorragend für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Medizin- und Dentaltechnik sowie in Turbomaschinen. Im Automobilsektor wird dieses Verfahren in verschiedenen Teilen von Autos eingesetzt, von Motor- und Getriebekomponenten bis hin zu Innenraumkomponenten. Im Bereich der Turbomaschinen spielt diese Technologie eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von Schaufeln, Impellern und Einspritzdüsen, wo die Möglichkeit, interne Kanäle und Kühlstrukturen zu erzeugen, die Effizienz und Lebensdauer der Komponenten verbessert. Im medizinischen und zahnmedizinischen Bereich wird das Laser-Pulverbett-Schmelzen hauptsächlich für die Herstellung von chirurgischen Werkzeugen und Zahnimplantaten eingesetzt.

Schließlich ist zu erwähnen, dass der Einsatz beider Technologien im medizinischen Bereich stark von der Möglichkeit beeinflusst wird, Materialien wie Titan und Edelstahl zu verwenden. Titan ist ein biokompatibles Material mit guten mechanischen Eigenschaften, die es z. B. für Implantate geeignet machen. Letzterer wiederum hat Eigenschaften, die ihn für die Herstellung von Werkzeugen und medizinischem Zubehör prädestinieren. Beide Metalle nutzen also die Vorteile der Verfahren und ihrer abgedichteten Kammern, um Teile ohne Kontaminationsrisiko herzustellen.

Führende Hersteller von EBM- und LPBF-3D-Druckern

Der Markt für EBM- und LPBF-Maschinen wird von Unternehmen angeführt, die sich der Entwicklung von Technologien verschrieben haben, die den Anforderungen anspruchsvoller Branchen wie den im vorigen Abschnitt genannten entsprechen. Der Markt für das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wurde viele Jahre lang von Arcam dominiert, dem schwedischen Unternehmen, das die Technologie als erstes entwickelt und auf den Markt gebracht hat. In den letzten Jahren ist dieser Industriezweig mit neuen Unternehmen gewachsen, die um den Platz in der additiven Fertigung von Metall konkurrieren.

Heute ist Colibrium Additive, ein Unternehmen von GE Aerospace, nach der Übernahme von Arcam im Jahr 2016 der einflussreichste Akteur. Das Unternehmen hat die Massenproduktion von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik bei General Electric vorangetrieben. Seit der Übernahme von Arcam und anderen auf die additive Fertigung von Metallen spezialisierten Unternehmen wie Concept Laser hat Colibrium Additive die Technologie mit Innovationen wie der automatischen Strahlkalibrierung und einer präziseren thermischen Steuerung optimiert.

Andererseits sind seit dieser Verschiebung auf dem Markt für EBM-Technologien neue Hersteller entstanden, wie Wayland Additive, das mit seinem NeuBeam-Verfahren die Stabilität und Flexibilität des Elektronenstrahlschmelzens verbessern will. Das 2017 von ehemaligen Arcam-Ingenieuren gegründete Unternehmen Freemelt bietet ebenfalls Drucker an, die einen Elektronenstrahl verwenden und teilweise sogar Open Source sind. Weitere Neueinsteiger in diesem Markt sind die asiatischen Hersteller QBeam, Xi’an Sailong Metal und JEOL. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie Erfahrung mit anderen Elektronenstrahltechnologien haben und diese an die additive Fertigung angepasst haben. Es ist jedoch zu betonen, dass sich die Vermarktung ihrer Drucker noch auf ihre Heimatländer konzentriert.

Auf dem Gebiet der LPBF-Technologie ist das deutsche Unternehmen EOS mit mehr als drei Jahrzehnten Erfahrung in der Herstellung von Metalldruckern auf der Grundlage der LPBF-Technologie und ihrer Materialien führend. Heute setzt eine Vielzahl von Unternehmen das LPBF-Verfahren in ihren Druckern ein. Nikon SLM Solutions, Renishaw, Farsoon Technologies, Additive Industries, 3D Systems und AddUp sind nur einige von ihnen. Im Laufe der Zeit haben diese Unternehmen ihr Angebot mit Druckern spezifiziert, die auf die Bedürfnisse einer bestimmten Branche zugeschnitten sind. Die Drucker von Farsoon und Additive Industries beispielsweise zeichnen sich durch ihre großformatigen Multi-Laser-Funktionen aus. Renishaw und 3D Systems werden häufig in der Forschung eingesetzt. Und die Hersteller Nikon und AddUpp bieten Lösungen für die allgemeine Industrie und die Massenproduktion an. Die Angebote der oben genannten Hersteller sind jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt, sondern stellen nur einige der bekanntesten dar.

Preise

3D-Drucker, die mit EBM- und LPBF-Verfahren arbeiten, stellen eine erhebliche Investition dar. Die Preise variieren je nach Modell, Druckvolumen, erforderlichen inerten Materialien und den spezifischen Merkmalen der einzelnen Geräte. Allerdings ist der Preis für EBM-Drucker wesentlich höher als für LPBF-Drucker. Dies ist auf das begrenzte Angebot an EBM-Maschinen im Vergleich zu LPBF-Lösungen zurückzuführen. Im Falle des Elektronenstrahlschmelzens werden die Kosten auf 500.000 bis 1.000.000.000 $ geschätzt. Die hohen Kosten umfassen nicht nur den Drucker selbst, sondern auch die für den Betrieb der Maschine erforderliche Infrastruktur, einschließlich Nachbearbeitungsanlagen und Spezialmaterialien. Darüber hinaus erfordert das EBM-Verfahren hochqualifizierte Fachkräfte, was sich erheblich auf die Kosten und die Verfügbarkeit von Talenten auswirkt.

Im Gegensatz dazu bieten Drucker mit LPBF-Technologie je nach Druckvolumen eine größere Preisspanne. Modelle wie der ProX 100 von 3D Systems mit einem Druckvolumen von 100 x 100 x 180 mm liegen im Bereich von 250.000 $. Fortgeschrittenere Modelle wie die Maschine EOS M400 mit einem Druckvolumen von 400 x 400 x 400 mm kosten bis zu 750.000 $. Neben den Kosten für die Maschine sind hier auch die Investitionen in Nachbehandlungsanlagen und der Kauf von Metallpulvern zu berücksichtigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die genauen Kosten für die Drucker nur ermittelt werden können, wenn man sich mit den Herstellern oder Händlern in Verbindung setzt, um ein Angebot einzuholen.

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