Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine additive Fertigungstechnologie, die üblicherweise für den 3D-Druck von Metallen eingesetzt wird. EBM nutzt einen leistungsstarken Elektronenstrahl als Wärmequelle, um Metallpulver selektiv zu schmelzen und Schicht für Schicht zu verschmelzen, um direkt aus CAD-Daten vollständig dichte Teile zu erstellen.
Im Vergleich zu anderen 3D-Metalldruckverfahren, wie z. B. laserbasierten Prozessen, bietet EBM einige einzigartige Vorteile in Bezug auf Baurate, Materialeigenschaften, Qualität und Kosteneffizienz. Es hat jedoch auch einige Einschränkungen in Bezug auf Auflösung, Oberflächengüte und Materialoptionen.
Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über die Technologie des Elektronenstrahlschmelzens, einschließlich:
- Wie EBM funktioniert
- Gerätetypen und Hauptkomponenten
- Materialien und Anwendungen
- Überlegungen zur Gestaltung
- Prozessparameter
- Vorteile und Grenzen
- Vergleich der Lieferanten
- Leitlinien für den Betrieb
- Kostenanalyse
- Die Wahl des richtigen EBM-Systems
Wie das Elektronenstrahlschmelzen funktioniert
Das EBM-Verfahren findet in einer Hochvakuumkammer statt, die mit inertem Argongas gefüllt ist. Metallpulver wird mit Hilfe von Rakeln in dünnen Schichten über eine Bauplattform verteilt. Ein Elektronenstrahl aus einer Elektronenkanone wird verwendet, um Bereiche jeder Pulverschicht entsprechend den Schnittdaten eines CAD-Modells selektiv zu schmelzen und zu verschmelzen.
Die Bauplattform senkt sich schrittweise mit jeder neuen Schicht. Die Teile werden direkt auf der Plattform gebaut, ohne dass Stützstrukturen erforderlich sind, da das Pulverbettschmelzen geometrieunabhängig ist. Nach der Fertigstellung wird das überschüssige Pulver entfernt, um das solide 3D-gedruckte Teil freizulegen.
Die hohe Energiedichte des Elektronenstrahls führt zu schnellem Schmelzen und Erstarren und ermöglicht hohe Fertigungsraten. Das EBM-Verfahren findet bei erhöhten Temperaturen von bis zu 1000 °C statt, was Eigenspannungen und Verzug reduziert.
Mit EBM gedruckte Teile erreichen eine Dichte von über 99%, wobei die Materialeigenschaften mit denen der herkömmlichen Fertigung vergleichbar oder sogar besser sind.
EBM-Ausrüstungstypen und Komponenten
EBM-Systeme enthalten die folgenden Hauptkomponenten:
Elektronenkanone - erzeugt einen fokussierten Strahl von hochenergetischen Elektronen
Strahlensteuerung - Elektromagnete führen und lenken den Elektronenstrahl ab
Hochspannungsnetzteil - beschleunigt Elektronen auf bis zu 60 kV
Vakuumkammer - bietet eine Hochvakuumumgebung
Pulverdosierung - Ablagerung und Verteilung von Metallpulverschichten
Pulverkassetten/Trichter - Pulver lagern und liefern
Plattform aufbauen - senkt sich schrittweise, wenn Schichten aufgebaut werden
Heizschlangen - heizt das Pulverbett auf bis zu 1000°C vor
Steuerpult - Computer und Software zum Betrieb des Systems
Es gibt einige Varianten von kommerziellen EBM-Geräten:
| EBM-System | Umschlag bauen | Strahlleistung | Schichtdicke |
|---|---|---|---|
| Arcam A2X | 200 x 200 x 380 mm | 3kW | 50-200 Mikrometer |
| Arcam Q10plus | 350 x 350 x 380 mm | 5,4 kW | 50-200 Mikrometer |
| Arcam Q20plus | 500 x 500 x 400 mm | 7kW | 50-200 Mikrometer |
| Arcam Spectra L | 275 x 275 x 380 mm | 1kW | 50-200 Mikrometer |
| Sciaky EBAM | 1500 x 1500 x 1200 mm | 15-60kW | 200 Mikrometer |
Größere Bauumfänge und höhere Strahlleistung ermöglichen schnellere Bauzeiten, größere Teile und höhere Produktivität. Kleinere Maschinen haben in der Regel eine feinere Auflösung und Oberflächengüte.
EBM-Materialien und Anwendungen
Die gebräuchlichsten Materialien, die in der EBM verwendet werden, sind:
- Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V
- Superlegierungen auf Nickelbasis wie Inconel 718, Inconel 625
- Kobalt-Chrom-Legierungen
- Werkzeugstähle wie H13, Maraging-Stahl
- Aluminium-Legierungen
- Kupferlegierungen
- Rostfreie Stähle wie 17-4PH, 316L
Zu den wichtigsten Anwendungen der EBM gehören:
- Luft- und Raumfahrt - Turbinenschaufeln, Laufräder, strukturelle Halterungen
- Medizin - orthopädische Implantate, Prothetik
- Automobilbau - Motorsportkomponenten, Werkzeugbau
- Industrie - Teile für die Fluidtechnik, Wärmetauscher
- Werkzeugbau - Spritzgussformen, Druckguss, Extrusionswerkzeuge
Zu den Vorteilen der EBM für diese Anwendungen gehören:
- Hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit
- Komplexe Geometrien mit Gittern und inneren Kanälen
- Kurze Vorlaufzeiten für Metallteile
- Zusammenführung von Baugruppen in einem Stück
- Gewichtsreduzierung und Designoptimierung
- Teilanpassung und Personalisierung
Überlegungen zum EBM-Design
Die EBM erlegt einige Einschränkungen bei der Gestaltung auf:
- Mindestwandstärke von 0,8-1 mm zur Vermeidung von Einstürzen
- Keine Hinterschneidungen oder horizontalen Überhänge
- Maximal 45° freitragende Überhänge
- Offene Innenkanäle mit mindestens 1 mm Durchmesser
- Feine Merkmale, begrenzt auf 0,5-1 mm Auflösung
Um Eigenspannungen zu minimieren, sollten steile Temperaturgradienten vermieden werden:
- Gleichmäßige Wandstärke
- Allmähliche Übergänge in der Querschnittsdicke
- Innere Stützen und Gitter für große Volumen
Nachbearbeitungen wie Bearbeiten, Bohren und Polieren können die Oberflächengüte verbessern.
EBM-Prozess-Parameter
Wichtige Parameter des EBM-Prozesses:
- Elektronenstrahl - Strahlstrom, Fokus, Geschwindigkeit, Muster
- Pulver - Material, Schichtdicke, Partikelgröße
- Temperatur - Vorheizen, Bauzeit, Abtaststrategie
- Geschwindigkeit - Punktabstand, Konturgeschwindigkeit, Schraffurgeschwindigkeit
Diese Parameter steuern Eigenschaften wie Dichte, Präzision, Oberflächengüte und Mikrostruktur:
| Parameter | Typischer Bereich | Auswirkung auf Teileigenschaften |
|---|---|---|
| Strahlstrom | 5-40mA | Energieaufwand, Größe des Schmelzbeckens |
| Strahlgeschwindigkeit | 104-107 mm/s | Energiedichte, Abkühlungsrate |
| Schichtdicke | 50-200μm | Auflösung, Oberflächenrauhigkeit |
| Temperatur aufbauen | 650-1000°C | Eigenspannung, Verformung |
| Scan-Geschwindigkeit | 500-10.000 mm/s | Oberflächenbeschaffenheit, Porosität |
| Scan-Muster | Schachbrett, unidirektional | Anisotropie, Dichte |
Eine genaue Abstimmung dieser Parameter ist erforderlich, um optimale Materialeigenschaften und Genauigkeit für jede Legierung zu erreichen.
Vorteile des Elektronenstrahlschmelzens
Zu den wichtigsten Vorteilen der EBM gehören:
- Hohe Aufbaurate - bis zu 80 cm3/Std. möglich
- Vollkommen dichte Teile - über 99% Dichte erreicht
- Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften - Festigkeit, Härte, Ermüdungsbeständigkeit
- Hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit - ±0,2 mm Präzision
- Minimaler Unterstützungsbedarf - weniger Nachbearbeitung
- Hohe Temperatur baut auf - reduziert Eigenspannungen
- Geringe Verschmutzung - hochreine Vakuumumgebung
Die hohen Scangeschwindigkeiten führen zu schnellen Schmelz- und Erstarrungszyklen, wodurch feinkörnige Mikrostrukturen entstehen. Die schichtweise Aufbaumethode erzeugt Teile, die mit Kneteigenschaften vergleichbar sind.
Beschränkungen des Elektronenstrahlschmelzens
Zu den Nachteilen der EBM gehören:
- Begrenzte Auflösung - minimale Merkmalsgröße ~0,8 mm
- Raue Oberfläche - Treppeneffekt, erfordert Nachbearbeitung
- Eingeschränkte Materialien - hauptsächlich Ti-Legierungen, Ni-Legierungen, derzeit CoCr
- Hohe Ausrüstungskosten - $350.000 bis $1 Million+ für eine Maschine
- Langsame Vorwärmzeiten - 1-2 Stunden bis zum Erreichen der Aufbautemperatur
- Kontaminationsrisiko - Zirkonium kann reaktive Legierungen verunreinigen
- Pulvermanagement - Recycling, Handhabung von feinen Pulvern
- Anforderungen an die Sichtlinie - horizontale Überhänge nicht möglich
Das anisotrope Schichtmuster und der "Treppenstufen"-Effekt der gesinterten Pulverschichten erzeugen sichtbare Streifen auf nach oben gerichteten Oberflächen. Der Elektronenstrahl kann nur Material in direkter Sichtlinie aufschmelzen.
EBM-Maschinen-Lieferanten
Zu den wichtigsten Herstellern von EBM-Geräten gehören:
| Anbieter | Modelle | Materialien | Strahlleistung | Preisspanne |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM (GE) | A2X, Q10plus, Q20plus | Ti, Ni, CoCr-Legierungen | 3-7kW | $350,000-$800,000 |
| Sciaky | EBAM 300, 500 Serie | Ti, Al, Inconel, Stähle | 15-60kW | $500.000-$1,5 Millionen |
| slaM | slm280 | Al, Ti, CoCr, Werkzeugstähle | 5kW | $500,000-800,000 |
| JEOL | JEM-ARM200F | Ni-Legierungen, Stähle, Ti | 3kW | $700,000-900,000 |
Die EBM-Systeme von Arcam verfügen über die größte Materialvielfalt, während Sciaky Lösungen für die Großserienfertigung anbietet. SLM Solutions und JEOL bieten ebenfalls EBM-Technologie mit Schwerpunkt auf Metallen an.
Betrieb von EBM-Systemen
Zur Bedienung einer EBM-Maschine:
- Installieren Sie EBM-Geräte mit angemessener Stromversorgung, Kühlung, Inertgas und Abgasbelüftung.
- Laden von CAD-Daten und Eingabe von Bauparametern in die EBM-Software
- Sieben und Laden von Metallpulver in Kassetten
- Vorheizen des Pulverbettes auf Prozesstemperatur
- Kalibrierung von Fokus und Leistung des Elektronenstrahls
- Beginn des schichtweisen Aufbaus beim Scannen und Schmelzen des Pulvers durch den Strahl
- Lassen Sie die Teile langsam abkühlen, bevor Sie sie aus der Maschine nehmen.
- Überschüssiges Pulver mit dem Staubsauger entfernen
- Teile von der Bauplatte schneiden und nachbearbeiten
Die ordnungsgemäße Handhabung und Lagerung des Pulvers ist entscheidend, um Verunreinigungen zu vermeiden, die zu Defekten führen können. Eine regelmäßige Wartung des Strahlfilaments, der Pulverfilter und des Vakuumsystems ist ebenfalls wichtig.
EBM-Verarbeitungskostenanalyse
Kostenfaktoren für die EBM-Produktion:
- Abschreibung von Maschinen - ~15-20% der gesamten Teilekosten
- Arbeit - Maschinenbedienung, Nachbearbeitung
- Pulver - $100-500/kg für Titanlegierungen
- Strom - hoher Stromverbrauch während der Bauphase
- Argon - täglicher Spülgasverbrauch
- Wartung - Strahlenquelle, Vakuumsystem, Harken
- Nachbearbeitung - Entfernung von Stützen, Oberflächenbearbeitung
Skaleneffekte lassen sich erzielen, indem kleinere Teile in einem einzigen Arbeitsgang gefertigt werden. Größere Maschinen produzieren Teile schneller und kostengünstiger. Die hohen anfänglichen Systemkosten werden auf mehr Teile verteilt.
Bei der Produktion von Kleinserien minimiert die Auslagerung an ein Dienstleistungsunternehmen die Kosten für die Ausrüstung.
Wie man ein EBM-System auswählt
Wichtige Überlegungen zur Auswahl eines EBM-Geräts:
- Umschlag bauen - Übereinstimmung mit den Anforderungen an die Teilegröße
- Präzision - Mindestgröße des Merkmals und erforderliche Oberflächengüte
- Materialien - für die Anwendungen erforderliche Legierungen
- Durchsatz - tägliche/monatliche Produktionsmengenziele
- Leistungsanforderungen - verfügbare Stromversorgungskapazität
- Software - Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität, Datenformate
- Nachbearbeitung - Bearbeitungszeit und Kosten
- Ausbildung und Unterstützung - Installation, Betrieb, Wartung
- Gesamtkosten - Systempreis, Betriebskosten, Pulver
Führen Sie Testaufbauten von Musterteilen auf verschiedenen EBM-Systemen durch, um die tatsächliche Teilequalität und Wirtschaftlichkeit zu beurteilen.
Investieren Sie in den größten Bauraum, der dem Budget und den Platzverhältnissen entspricht, um zukünftige Erweiterungen zu ermöglichen. Arbeiten Sie mit einem renommierten Anbieter zusammen, der Ihnen kontinuierlichen technischen Support bieten kann.
FAQ
F: Wie genau ist EBM?
A: Maßhaltigkeit und Toleranzen von ±0,2 mm sind typisch für EBM-Teile. Feine Merkmale bis zu 0,3 mm sind möglich.
F: Welche Materialien können neben Metallen für EBM verwendet werden?
A: EBM ist auf leitfähige metallische Legierungen beschränkt. Photopolymere und Keramiken können derzeit aufgrund der Energiequelle des Elektronenstrahls nicht bearbeitet werden.
F: Benötigt der EBM irgendwelche Hilfsmittel?
A: EBM erfordert aufgrund der geometrieunabhängigen Natur des Pulverbettschmelzens keine Stützstrukturen für Überhänge unter 45°. Bei großen Hohlprofilen können minimale interne Stützen hilfreich sein.
F: Wie ist die Oberfläche beschaffen?
A: EBM-Teile haben aufgrund von Pulverschichten und Scan-Spuren relativ raue Oberflächen. Zur Verbesserung der Oberflächengüte sind verschiedene Bearbeitungs-, Schleif- oder Poliervorgänge erforderlich.
F: Wie teuer ist EBM im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren?
A: EBM-Anlagen haben höhere Anschaffungskosten von $350.000 bis über $1 Million. Aber die hohe Baugeschwindigkeit kann dies ausgleichen, indem sie die Teilekosten in großem Maßstab reduziert. Die Prozesskosten pro Teil sind wettbewerbsfähig mit anderen Metall-3D-Druckverfahren.
F: Ist bei EBM-Teilen eine Nachbearbeitung erforderlich?
A: Die meisten EBM-Teile müssen nachbearbeitet werden, z. B. durch Schneiden von der Bauplatte, Spannungsentlastung, Oberflächenbearbeitung, Bohren von Löchern, Schleifen oder Polieren, um die endgültige Oberfläche, Toleranz und das Aussehen des Teils zu erreichen. Minimale manuelle Nacharbeit kann erforderlich sein, um scharfe Kanten zu brechen oder die Rauheit zu verringern.