Additive Fertigung

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (SEBM)

Einführung

© Fraunhofer IFAM

Design-Demonstrator für EBM aus Ti-6Al-4V (CAD-Vorlage: Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Fertigungstechnik)

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (engl. „Selective Electron Beam Melting“ – SEBM) 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 / Spanen):

 

Keine zusätzlichen Werkzeuge oder Formen notwendig

Designfreiheit – „design for function“

Hoher Individualisierungsgrad

Verringerte Zeiten für Design und Fertigung → kürzere Vorlaufzeit

Verarbeitung hochschmelzender und / oder hochreaktiver Werkstoffe (bspw. Titanlegierungen, Nickelbasiswerkstoffe und Refraktärmetalle), die konventionell nur schwer oder gar nicht handhabbar sind

Verbesserte Rohstoffeffizienz

Eigenschaften SEBM LBM
Strahlquelle Elektronenstrahl Laser
Pulver grob (45 - 105...150 µm) fein (10 - 45 µm)
Atmosphäre Vakuum Schutzgas
Strahlablenkung Ablenkspulen Galvanometer
Vorheizen Elektronenstrahl
(Ti-6Al-4V: 700 °C)
in Entwicklung (Heizung Startplatte: 250 - 500 °C)
Eigenspannung / Aufwand Stützstrukturen niedrig hoch
Oberflächenqualität sehr rau (Ra ~ 40 µm) rau (Ra ~ 20 µm)
Interne Strukturen eingeschränkt gut
Baurate (Ti-6Al-4V) ~ 80 cm³/h ~ 30 cm³/h

F&E-Kompetenzen

F&E-Komeptenz EBM
© Fraunhofer IFAM Dresden

Prozess

Übersicht Werkstoffe EBM

Ti Ni Fe Sonstige
Ti6Al4V IN 718 316L Cu
TiAl γ‘ 1.4306 Refraktär
    1.4462 Super INVAR
    CP2M  
    Ferro-Titanit  
    1.7227  
    Rapidur  
    FeCrV  

In fett: Werkstoffe des Anlagenherstellers

Ausstattung

A2X Q20+
3 kW, Wolframfilament 3kW, LaB6 Kathode
Bauraum 2002 x 380 mm3 Bauraum Ø 300 x 380 mm3
Für Hochtemperaturwerkstoffe Automatische Strahlkalibrierung
  Prozessüberwachung (LayerQam)

Kundennutzen

Kundennutzen

Marktstudien belegen die Bedeutung der additive Fertigung als ein Innovationsindikator [REF]. In diesem Umfeld hat insbesondere das Selektive Elektronenstrahlschmelzen ein sehr hohes Potential für die Fertigung formkomplexer Bauteile. Durch die Kombination der SEBM-Technologie mit der vorhandenen pulvermetallurgischen Kompetenz kann das Fraunhofer IFAM Dresden als starker und verlässlicher F&E-Partner in diesen Feldern auftreten.

Ihre Vorteile:

„Schnelle“ und „breite“ Werkstoffentwicklung

Branchenübergreifend F&E-Kompetenz

Langjährige Erfahrung auf dem Gebiet des SEBM durch erfolgreich abgeschlossene öffentlich geförderte und Industrieprojekte

Prozessspezifisches Konstruktions-Knowhow (bspw. in VDI-Richtlinie)

Potentialbewertung Ihrer Bauteile für die additive Fertigung

Unabhängige Beratung zur Pulverspezifikation und Beschaffung inklusive Pulveranalytik

© Fraunhofer IFAM Dresden

Optimiertes Bauteil „Main Gear Bracket Rear“ (Demonstrator), hergestellt durch Selektives Elektronenstrahlschmelzen

Main Gear Bracket

Sicherheitskritisches Bauteil in der Luftfahrt

Gewichtseinsparung durch Topologieoptimierung: ca. 40 %

Bauteil ist ermüdungsbelastet → max. Rauhigkeit < 3 µm → Endbearbeitung des gesamten Bauteils (CNC-Fräsen + Elektropolieren)

Demonstratoren wurden erfolgrich einem Dauertest unterzogen

Das Bauteil ist aufgrund seines Volumens und der geometrischen Komplexität „EBM only“

Schneidkrone
© Fraunhofer IFAM Dresden

Schneidkronen aus Werkstoff FeCrV10 in hybrider Bauweise auf Werkstoff 1.2343

Schneidkrone

verschleißbelastetes Bauteil für die Zerkleinerungsindustrie (z.B. Schredder-Maschine)

konventionell sehr aufwendig herzustellen, da die Bearbeitung sehr zeit- und kostenintensiv ist

Potentiale mit additiver Fertigung: Einsparung Kosten für Bearbeitung, Erhöhung Standzeit durch Vergrößerung der Bauteilhöhe, Kostenoptimierung durch hybride Fertigung

mittels EBM wurde der Werkstoff erfolgreich verarbeitet: Dichte >99%, Rissfreiheit erreicht

Härte (as built / nach Wärmebehandlung): ca. 51 HRC / bis zu 65 HRC

Demonstratoren wurden monolithisch als auch in Hybridbauweise (auf Startplatte aus 1.2343) gefertigt; ein Teil davon wird unter Realbedingungen getestet

Werkstoff FrCrV10 ist in dieser Zusammensetzung „EBM only“, da der hohe Hartstoffgehalt und die Rissanfälligkeit die Verarbeitung bei erhöhter Temperatur (ca. 900°C) erfordern

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