Elektronenstrahl-Fertigung bezeichnet ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein fokussierter Strahl hochenergetischer Elektronen verwendet wird, um Metallpulverpartikel selektiv zu schmelzen und Schicht für Schicht miteinander zu verschmelzen, um komplexe 3D-Komponenten direkt herzustellen.
Das auch als Elektronenstrahlschmelzen (EBM) oder Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen bekannte Verfahren bietet Möglichkeiten in Bezug auf Aufbaurate, Materialeigenschaften, Oberflächenbeschaffenheit und geometrische Freiheit, die von herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht erreicht werden.
Dieser Leitfaden bietet einen Überblick über die Elektronenstrahlfertigung und geht dabei auf Prozessmöglichkeiten, Werkstoffe, Anwendungen, Systemanbieter, Kompromissvergleiche und häufig gestellte Fragen bei der Einführung ein.
Überblick über den Elektronenstrahl-Fertigungsprozess
- Metallpulver wird gleichmäßig auf der Bauplatte verteilt
- Elektronenstrahl scannt definierte Bahnen und schmelzt Pulver
- Platte indexiert nach unten, neue Schicht wird aufgetragen
- Thermisches Vorheizen hält die Prozesstemperatur aufrecht
- Kammer wird während des Baus unter Vakuum gehalten
- Unterstützt die Struktur wo nötig
- Letzte Teile weggeschnitten und nach Bedarf fertiggestellt
Elektronenstrahlen dringen schneller und tiefer als Laser in leitfähige Materialien ein und ermöglichen so höhere Fertigungsraten bei geringerer Restspannung.
In der Elektronenstrahlfertigung verwendete Materialien
Es wird eine breite Palette von Legierungen verarbeitet, die jeweils in Bezug auf Chemie und Partikelgrößenverteilung optimiert sind:
| Material | Gängige Legierungen | Übersicht |
|---|---|---|
| Titan-Legierung | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI | Für die Luft- und Raumfahrt geeignete Mischungen mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht |
| Nickel-Legierung | Inconel 718, 625, Haynes 282 | Hitze-/Korrosionsbeständige Superlegierungen für Turbinen |
| Kobalt-Chrom | CoCrMo | Biokompatible, verschleißfeste Legierung für Implantate |
| Rostfreier Stahl | 17-4PH, 316L, 304L | Hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit |
| Werkzeugstahl | H13, martensitaushärtender Stahl | Extreme Härte/Verschleißfestigkeit |
| Aluminiumlegierung | Scalmalloy | Kundenspezifische Breite und schnelle Erstarrungsraten |
Vorteile wie die Kontrolle der Korn- und Fehlerstruktur fördern verbesserte mechanische Eigenschaften.
Merkmale und Toleranzen
Zusätzlich zu den maßgeschneiderten Legierungseigenschaften gehören zu den wichtigsten Prozessfähigkeiten:
| Attribut | Beschreibung |
|---|---|
| Oberflächengüte | Bis zu 5 μm Rauheit, je nach Geometrie glatt genug für die endgültige Verwendung, keine Nachbearbeitung erforderlich |
| Auflösung der Funktion | Feine Details bis zu ~100 μm unterstützt durch Prozessparameter |
| Genauigkeit | ± 0,2% mit 50 μm Abweichung über 100 mm Teileabmessungen |
| Dichte | Über 99,8% des theoretischen Maximalwerts, der höchste Wert aller Metall-AM-Methoden |
| Größe bauen | Komponenten über 1000 mm Länge möglich, abhängig vom Systemmodell |
| Prototyping | Geeignet für Einzel- und Kleinserienfertigung, ideal für technische Modelle, die Metalle erfordern |
| Produktion | Luft- und Raumfahrtindustrie und Medizintechnik beginnen mit der Zertifizierung von Verfahren zur Herstellung von Endverbrauchsteilen |
Die Konsistenz und Qualität ermöglichen Anwendungen mit hohem Bedarf.
Elektronenstrahl-Fertigung Anwendungen
| Industrie | Verwendet | Beispiele für Komponenten |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Strukturelle Komponenten, Motorteile | Turbinenschaufeln, Rahmen, Halterungen |
| Medizinische | Orthopädische Implantate, chirurgische Werkzeuge | Hüft-, Knie- und Schädelimplantate, Klammern |
| Automobilindustrie | Leichte Leistungskomponenten | Turbinenräder, Krümmer |
| Industriell | Produktion von Endverbrauchsmetallen | Leichte Roboterarme, Fluid-Handling-Teile |
Zusätzliche Spezialanwendungen nutzen Synergien in Bezug auf Design, Material und Leistung.
Systemhersteller und Preisgestaltung
| Hersteller | Beschreibung | Basis-Preisspanne |
|---|---|---|
| Arcam (GE) | Vorreiter mit einer Reihe von EBM-Systemmodellen | $1,5M – $2M |
| Velo3D | Fortschrittliche Systeme versprechen feinere Details und höhere Bauhöhen | $$$$ |
| Jeol | Forschung und Produktion im kleinen Maßstab | $$$ |
Die Betriebskosten für Materialien, Argon und Strom können je nach Bauart zwischen $100-$1000+ pro Tag betragen.
Kompromisse zwischen Elektronenstrahl und anderen Prozessen
Vorteile:
- Höhere Aufbaurate als beim Pulverbett-Laserschmelzen
- Geringere Eigenspannung als bei Lasermethoden
- Außergewöhnliche Genauigkeit und Oberflächengüte
- Hochreines Ausgangsmaterial für Eigenschaften
- Hohe potenzielle künftige Produktionsmengen
Nachteile:
- Im Vergleich zu anderen Pulverbetttechnologien noch nicht ausgereift
- Größe Fähigkeit nicht so groß Laser-Methoden
- Materialverfügbarkeit nimmt weiter zu
- Höhere Betriebskosten für die Ausrüstung
- Beschränkungen für Geometrien, die eine Unterstützung erfordern
Für die richtigen Anwendungen ein unvergleichliches Leistungspotenzial.
FAQs
Wodurch wird die maximale Teilegröße bestimmt?
Die maximale Scanfläche des Systemmodells, die Einschränkungen der Scanstrategie, die thermischen Belastungen, die Beschränkungen der Pulververteilbarkeit und die Anzahl der Komponenten definieren die getesteten Größen bis zu einer Länge von ~800 mm.
Wie wirkt sich der Prozess auf die Materialeigenschaften aus?
Schnelle Abkühlungsraten durch kontrollierte thermische Profile sorgen für feine Mikrostrukturen, die die Festigkeit erhöhen. Die Parameter werden gegen Eigenspannungen ausgeglichen.
Wodurch wird die Fähigkeit zur Oberflächenbehandlung bestimmt?
Die Spotgröße, die Strahlleistung, die Scanstrategie, die nachfolgende Pulverschichtdicke, die Verunreinigung durch Partikel und der Einfluss des thermischen Gradienten ermöglichen eine außergewöhnliche Oberflächenqualität bei der Herstellung.
Welche Sicherheitsvorkehrungen sind erforderlich?
Zusätzlich zu den Schutzmaßnahmen für die Handhabung von Pulver erfordern Elektronenstrahlsysteme zertifizierte Räume mit Faradayscher Käfigabschirmung, Sicherheitsverriegelungen und Berechnung der maximalen Belegungszeit.
Was sind typische Nachbearbeitungsschritte?
Nachbearbeitungsprozesse wie das heißisostatische Pressen zur Verringerung der Porosität, Wärmebehandlungen zur Verbesserung der mechanischen Leistung und subtraktive Bearbeitungen werden üblicherweise zur Fertigstellung der Bauteile eingesetzt.