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Elektronenstrahlschmelzen – Wir erklären Ihnen diese Technologie!

Auf 7. Oktober 2019 von Lukas Johannes B. veröffentlicht
Elektronenstrahl-Schmelzen

Das Electron Beam Melting (EBM) oder im Deutschen „Elektronenstrahlschmelzen“ ist Teil der „Powder Bed Fusion“-Familie: Im Gegensatz zum Laserschmelzen verwendet es, wie sein Name schon sagt, einen Elektronenstrahl, um Metallteilchen zu verschmelzen und Schicht für Schicht das gewünschte Teil zu erzeugen. Dieses Verfahren, das 2002 von der schwedischen Firma Arcam erstmals vertrieben wurde, ermöglicht die Herstellung komplexer und hochbelastbarer Strukturen. Nennenswert ist, dass das Unternehmen 2016 von GE Additive übernommen wurde und heute als einziges Unternehmen Maschinen auf Basis dieses Prozesses vermarktet.

Der wesentliche Unterschied zum Laserschmelzen besteht daher in der verwendeten Wärmequelle. Die EBM-Technologie verwendet hier einen Elektronenstrahl, der von einer Elektronenkanone erzeugt wird. Dieser extrahiert die Elektronen aus einem Wolframfaden unter Vakuum und projiziert sie beschleunigt auf die auf der Platte abgeschiedene Schicht aus Metallpulver. Diese Elektronen können dann das Pulver selektiv verschmelzen und so das 3D-Modellteil erzeugen.

Elektronenstrahlschmelzen

Die EBM-Technologie verwendet einen Elektronenstrahl – Quelle: Arcam

Der genaue Prozess beim Elektronenstrahlschmelzen

Wenn wir die Durchführung dieser Technologie etwas genauer betrachten ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass alles mit der Modellierung eines 3D-Teils beginnt: Sie können es mit Hilfe von CAD-Software erstellen, durch 3D-Scannen erhalten oder das Modell Ihrer Wahl herunterladen. Das 3D-Modell wird dann an eine „Schneidesoftware“, auch Slicer genannt, gesendet, die das Objekt in mehrere Schichten schneidet, die den aufeinanderfolgenden Materialschichten entsprechen. Der Slicer sendet alle diese Informationen direkt an den Drucker, der dann seinen Herstellungsprozess starten kann. Das Metallpulver kann nun in den Tank der Maschine gefüllt werden. Im nächsten Schritt wird es in dünnen Schichten abgeschieden, die durch den Elektronenstrahl vorgewärmt werden bevor letztendlich das Schmelzen beginnt. Insbesondere bietet dieser Schritt eine bessere Unterstützung für die Überhangbereiche des zu druckenden Teils. Die Maschine wiederholt diese Schritte dann so oft wie nötig, um das gesamte Teil zu erhalten.

Nach Abschluss des Herstellungsprozesses entnimmt der Nutzer das Teil aus der Maschine und entfernt das ungeschmolzene Pulver mit einer Blaspistole oder Bürste. Nehmen Sie dann die Fertigungsstützen ab, falls vorhanden, lösen Sie das Teil von der Fertigungsplatte und fahren Sie mit der Nachbearbeitung fort (Bearbeitung von Oberflächen, Polieren,….). In einigen Fällen kann es notwendig sein, das Teil in einem Ofen mehrere Stunden zu erwärmen, um die durch den Herstellungsprozess verursachten Spannungen abzubauen.

Beachten Sie, dass die gesamte Fertigung unter Vakuum erfolgen muss, um den Elektronenstrahl richtig zu betreiben. Dadurch wird auch verhindert, dass das Pulver beim Erwärmen oxidiert. Am Ende des Produktionsprozesses kann ein großer Teil des ungeschmolzenen Pulvers nahezu direkt wiederverwendet werden. Es ist relativ logisch, dass dies für die Hersteller von Interesse ist, insbesondere im Luftfahrtsektor, wo oft nur 20% des gekauften Materials tatsächlich im Endteil verwendet werden, der Rest durch Zerspanung entfernt und dann dem Recyclingprozess zugeführt wird.

Materialien und Anwendungen Des Elektronenstrahlschmelzens

Da der Prozess auf dem Prinzip der elektrischen Ladung basiert, müssen die verwendeten Materialien leitfähig sein. Ohne diese kann keine Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Pulver auftreten. Die Herstellung von Polymer- oder Keramikteilen ist daher mit einem Elektronenstrahl technisch nicht möglich und es können nur Metalle verwendet werden. Heute werden hauptsächlich Titan- und Chrom-Kobalt-Legierungen verwendet; der Hersteller Arcam hat die Palette der kompatiblen Materialien eingeschränkt. Um ein anderes Material verwenden oder testen zu können, muss ein Benutzer eine kostenpflichtige Schulung absolvieren und eine Berechtigung erhalten, die ihn berechtigt, seine Maschine nach eigenem Ermessen zu benutzen.
Die EBM-Technologie wird hauptsächlich in der Luftfahrt und in medizinischen Anwendungen eingesetzt, insbesondere für das Implantatdesign. Titanlegierungen sind besonders interessant wegen ihrer Biokompatibilität, aber auch wegen ihrer mechanischen Eigenschaften, wo sie Leichtigkeit und Festigkeit bieten. Die Technologie wird häufig eingesetzt, um beispielsweise Turbinenschaufeln oder Triebwerksteile zu konstruieren. Das Elektronenstrahlschmelzen erzeugt Teile schneller als das Laserschmelzen, aber meist ist das Resultat weniger genau und die Oberfläche von geringerer Qualität, da das Pulver körniger ist.

3D-gedruckte Implantate über eine Arcam-Maschine – Quelle: Arcam

Sollten wir den Laser oder den Elektronenstrahl bevorzugen?

Die Frage wird regelmäßig von Herstellern gestellt, die sich für den 3D-Druck von Metallteilen interessieren, ohne zu wissen, welches Verfahren sie verwenden sollen. Die Antwort hängt hauptsächlich davon ab, was Sie tun wollen, denn jeder Prozess hat seine Vor- und Nachteile.

Stärken:

  • Die Geschwindigkeit der Produktion. Der Elektronenstrahl kann sich trennen, um das Pulver an mehreren Stellen gleichzeitig zu erhitzen, was die Produktion deutlich beschleunigt. Auf der anderen Seite muss ein Laser die Oberfläche Punkt für Punkt abtasten.
  • Das Vorwärmen des Pulvers vor dem Schmelzen begrenzt Verformungen und reduziert so den Bedarf an Verstärkungen und Stützen während der Herstellung

Schwächen:

  • Präzision. Im Pulverbereich ist der Elektronenstrahl etwas breiter als der Laserstrahl, was es ihm nicht erlaubt, die gleiche Genauigkeit zu erreichen.
  • Die Größe der zu fertigenden Teile. Die Arcam-Maschine mit dem größten Fertigungsvolumen (Q20) ermöglicht einen maximalen Durchmesser von 350 mm bei einer Höhe von 380 mm, während Lasermaschinen (wie die X-Line von Laser Concept) bereits ein mindestens doppelt so hohes Fertigungsvolumen bieten.

Arcam ist heute das einzige Unternehmen, das EBM-Maschinen vertreibt

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