Additive Fertigung

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (SEBM)

© Foto ARCAM AB

Hüftgelenkspfanne mit integrierten Trabecular Structures™ für eine verbesserte Osseointegration

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (engl. „Electron Beam Melting“ – EBM) ist ein pulverbasierter Prozess für die generative Fertigung dreidimensionaler Bauteile. Das Pulverbett wird schichtweise selektiv durch den Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Der Prozess findet unter Hochvakuum statt.

Vorteile im Vergleich zu konventioneller Fertigung (bspw. Gießen / Schmieden):

 

•  Keine zusätzlichen Werkzeuge oder Formen notwendig
•  Verbesserte Rohstoffeffizienz
•  Wesentlich geringerer Aufwand für Nachbearbeitung
•  Designfreiheit – „design for function“
•  Verarbeitung hochschmelzender und / oder hochreaktiver Werkstoffe, die konventionell nur schwer oder gar nicht handhabbar sind
•  Verringerte Zeiten für Design und Fertigung → kürzere Vorlaufzeit
•  Hoher Individualisierungsgrad

Anwendungsbereiche - Ausgewählte Beispiele

© Foto Avio S.p.A.

Niederdruck-Turbinenschaufel aus γ-Titan-Aluminid

•  Luftfahrt
    -  Turbinenschaufel
    -  Pumpenrad

•  Automobil
    -  Turboladerrad

•  Medizintechnik
    -  Implantate

Werkstoffe

Prinzipiell sind alle metallischen Werkstoffe für den Prozess geeignet, solange die Pulver entsprechend angepasst werden können. Die folgenden Werkstoffe sind für EBM qualifiziert:

•  Titan Grade 2
•  Ti-6Al-4V
•  CoCr

Weitere Beispiele für Werkstoffe, die am Fraunhofer IFAM Dresden im Rahmen zukünftiger F&E-Arbeiten evaluiert werden können, sind:

•  Aluminium und seine Legierungen
•  Stahl
•  Superlegierungen
•  Intermetallische Werkstoffe
•  Refraktärmetalle und -legierungen

Ausstattung

•  EBM-Maschine Arcam A2X
    -  Bauraum (200 x 200 x 380) mm³
    -  Scangeschwindigkeit bis  8000 m/s
    -  Baurate 551 - 802 cm³/h (Ti-6Al-4V) (1beste Oberfläche, 2maximale
       Baugeschwindigkeit)
    -  Strahlleistung 50 - 3500W

•  Analyse
    -  Pulvercharakterisierung (z.B. Partikelgrößenverteilung und -form, Verunreinigungen)
    -  Bauteil (z.B. Dichte, Mikrostruktur, Verunreinigungen, mechanische und
       thermische Eigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur)

Prozessbeschreibung

© Foto © 2012 WILEY-VCH Verlag, Quelle: Laser Technik Journal, April 2012, No. 2, pp. 33-38

Grundsätzlicher Arbeitsablauf des EBM-Prozesses

Elektronenstrahlschmelzen ist eine pulvermetallurgische Technologie mit den folgenden Prozessschritten:

•  Design des Bauteils  → CAD-Zeichnung
•  Positionierung des Bauteils im Bauraum, ggf. müssen Stützstrukturen hinzugefügt werden

•  Erzeugung von 2D-Schnitten aus 3D-Vorlage
•  Schichtweiser Aufbau des Bauteils
•  Entnahme, Entfernen von Überschusspulver

F&E-Kompetenz

•  Werkstoffentwicklung
•  Bauteildesign
•  Prozesseffizienz (abhängig von Material und Bauteil)
•  Herstellung von Prototypen und Kleinserien
•  Bauteiltest (siehe Ausstattung → Analyse)

Am Fraunhofer IFAM Dresden wird ein Anwenderzentrum aufgebaut, in dem zukünftig die oben genannten und weitere spezielle F&E-Fragestellungen adressiert werden.

Kundennutzen

Marktstudien sagen ein sehr starkes Wachstum für generative Fertigungsverfahren voraus. In diesem Umfeld hat insbesondere das Elektronenstrahlschmelzen ein sehr hohes Potential für die zukünftige Fertigung formkomplexer Bauteile. Durch die Kombination der EBM-Technologie mit der vorhandenen pulvermetallurgischen Kompetenz kann das Fraunhofer IFAM
Dresden als starker und verlässlicher F&E-Partner in diesen Feldern auftreten.

Vorteile:
•  Endformnahe Bauteile, die nur minimal bzw. nicht nachbearbeitet werden müssen
•  Verarbeitung hochschmelzender und / oder hochreaktiver Werkstoffe, die konventionell nur schwer oder gar nicht handhabbar sind
•  Verarbeitung schwer bearbeitbarer Werkstoffe
•  Neue Freiheitsgrade im Design
•  “Rapid manufacturing” – schnelle Verfügbarkeit der Bauteile