Selektives Elektronenstrahlschmelzen (engl. „Selective Electron Beam Melting“ – SEBM) ist ein pulverbasierter Prozess für die generative Fertigung dreidimensionaler Bauteile.

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3D Metal Printing erlaubt die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen, die mit konventionellen Verfahren gar nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar sind.

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Generative Fertigung - Vom Pulver zum Bauteil

© Fraunhofer IFAM

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

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3D-Siebdruck-Struktur (Demonstrator)

Kundenindividuelle Produkte, steigende Variantenvielfalt, kürzere Innovationszyklen und der Spagat zwischen sowohl kleinen Losgrößen als auch der Umsetzung in eine Massenfertigung sind Herausforderungen, denen sich produzierende Unternehmen im heutigen Wettbewerb stellen müssen. Gleichzeitig spielt die effiziente Nutzung vorhandener Ressourcen in der Produktion in Zeiten zunehmender Ressourcenknappheit und damit zusätzlichen Kostendruckes eine entscheidende Rolle. Insbesondere Energie- und Materialeffizienz haben dabei eine sehr große Bedeutung. Eine viel versprechende Möglichkeit stellt die Herstellung mittels generativer Fertigung dar. Neben dem hohen Materialnutzungsgrad erlauben die generativen Verfahren durch die hohe Designfreiheit auch völlig neue Konstruktionen mit Leichtbaustrukturen oder integrierter Funktionalität (z.B. Strömungskanäle), die mit konventionellen Bearbeitungstechniken nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohen Kosten realisierbar wären. Außerdem können Zeit und Energie und Investitionskosten durch Vermeidung von Formen, Gesenken oder anderer Produktionshilfsmittel eingespart werden. Die Wirtschaftlichkeit der Produktion kann also durch die signifikante Senkung der Material- und Anlagenkosten, die Verringerung der Fertigungszeit sowie verbessertes Bauteildesign wesentlich verbessert werden. Damit können generative Fertigungsverfahren für formkomplexe Bauteile mit einem sehr hohen Potential für die signifikante Steigerung von Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz im Vergleich zur derzeitigen Herstellung versehen sind.

Im Bereich metallischer Werkstoffe sind die pulverbasierten Verfahren am stärksten vertreten. Am Fraunhofer IFAM sind Anlagen zu drei der Technologien vorhanden: selektives Laserschmelzen SLM (Bremen), Selekltives Elektronenstrahlschmelzen SEBM (Dresden) und 3D-Siebdruck 3D-SD (Dresden). Die letzteren beiden Verfahren sind mit Bezug auf die industrielle Produktionsreife zwar nicht so weit entwickelt wie SLM, jedoch ergeben sich damit jedoch sehr hohe Potentiale, weil sich sowohl SEBM (hohe Baurate, heißer Prozess) als auch 3D-SD (kleine Bauteile in sehr hohen Stückzahlen) vom SLM-Verfahren abgrenzen und damit eigenständige Anwendungsfelder generiert werden können, bei dem das SLM an seine Grenzen stößt. Des Weiteren kann der 3D-SD Stückzahlen generieren, die bisher nur dem metallischen Spritzguss (MIM) vorbehalten waren, wobei zusätzlich neue Geometrien erschlossen werden und die Vorteile von generativen Verfahren wie Formenvarianz und weitgehende werkzeugfreiheit erhalten bleiben.

Technologie und Anlagentechnik

Selective Electron Beam Melting (SEBM) ist ein pulverbettbasiertes Strahlschmelzverfahren, mit Hilfe dessen Bauteile durch das schichtweise Aufschmelzen des Pulvers mittels eines Elektronenstrahls generiert werden. Der Prozess unterscheidet sich neben der Strahlquelle von anderen generativen Verfahren wie folgt:

-       Das Pulverbett wird während des Aufbauprozesses auf erhöhter
        Temperatur gehalten (z.B. bei TiAl6V4 bei ca. 700°C). Dies führt zu einer
        beginnenden Versinterung der Pulverpartikel. Dadurch wird einerseits eine
        Stützwirkung im Pulverbett erzeugt. Andererseits hilft die Versinterung
        dabei, die Entstehung von Pulverstaub beim Auftreffen des
        Elektronenstrahls auf das Pulverbett zu vermeiden

-       Der Prozess läuft unter Hochvakuum. Dadurch werden die
        Verunreinigungsgehalte im Prozess sehr niedrig gehalten, wodurch
        insbesondere sehr reaktive Materialien verarbeitbar werden.

-       Der Elektronenstrahl wird trägheitsfrei abgelenkt, wodurch sehr hohe
        Scanraten (>> 1000m/s) möglich sind. Daraus ergeben sich
        vergleichsweise hohe Bauraten (z.B. TiAl6V4: 55 – 80 cm³/Stunde).

Am Standort Dresden des Fraunhofer IFAM ist seit Oktober 2013 die Anlage A2X der Firma Arcam installiert. Diese Maschine hat die folgende Spezifikation:

-       Maximale Strahlleistung 50 – 3500 W

-       Bauraum (200 x 200 x 380) mm³

-       spezielle Baukammer, die auf die Verarbeitung hochschmelzender
        Werkstoffe (z.B. intermetallische Verbindungen, Superlegierungen und
        Refraktärwerkstoffe) ausgelegt ist.

 

Beim 3D-Siebdruck wird das Bauteil im Gegensatz zu den anderen generativen Verfahren durch eine pulverbasierte Paste mittels eines massentauglichen Siebdruckverfahrens aufgebaut. Es müssen dabei keine Strahlquellen genutzt werden, was zu folgenden spezifischen Eigenschaften führt:

-       Durch die Nutzung einer Paste können alle Werkstoffe eingesetzt werden,
        die als Pulver verfügbar sind. Eine Einschränkung bezüglich bezüglich
        Größe, Form und Rakelbarkeit besteht im Gegensatz zu den
        strahlgebundenen Verfahren nicht.

-       Mit der Verwendung feiner Pulver können hohe Oberflächenqualitäten und
        feine Strukturen < 100 µm realisiert werden

-       Möglich sind komplexe Innenstrukturen bis hin zu Hohlräumen, die mit
        anderen Verfahren nicht realisiert werden können

-       Durch den Einsatz des industriell etablierten Siebdruckprozess ist die
        Massenfertigung von Bauteilen bis in die Millionenstückzahl problemlos
        umsetzbar

 

Die bisherige Anlage zum Siebdruck wird im März 2014 durch eine komplette neuentwickelte Forschungsanlage der Firma EKRA ersetzt, die sowohl in der Prozesstechnik neue Maßstäbe setzt und für den Anwender bereits Komponenten für eine spätere kommerzielle Umsetzung enthält. Dabei besitzt die neue Anlage folgende Kernspezifikationen:

-       Zwei getrennt ansteuerbare Druckflächen mit je 300 x 300 mm Fläche

-       Frei wählbare Werkstoffe, von etwa Titan über Kupfer, seltene Erden und  
        Stahl bis hin zu hochschmelzenden Refraktärmetallen und deren
        Verbindungen

-       Vorserientaugliche Stückzahlen von mehreren tausend Bauteilen je nach
        Bauteilgröße

-       Umfangreiche Parametrisierung und Vorhersage für Qualitätssicherung
        und Prozessparameter in der industriellen Umsetzung

Chancen, Marktpotential, Perspektive

Generative Fertigungsverfahren haben das Potential in der Zukunft zu völlig neuartigen Fertigungsketten und Produkten zu führen. Für metallische Bauteile ermöglichen die pulverbasierten Verfahren außer der wesentlich größeren Designfreiheit auch die breiteste Werkstoffpalette. Neben der Anlagentechnik für die drei Technologien SLM, EBM und 3D-Siebdruck verfügt das Fraunhofer IFAM über langjähriger Erfahrungen bei den relevanten Werkstoffgruppen und über umfassendes Know-How in der Pulvermetallurgie. Diese Kombination von Technologie- und Werkstoffkompetenz ist eine exzellente Grundlage für das Fraunhofer IFAM um essentielle Beiträge bei der Überführung der Verfahren in die industrielle Produktion zu leisten. Ein stark zunehmendes industrielles Interesse an diesen Verfahren wird in nahezu allen Technologiebereichen festgestellt, vor allem im Bereich Automobil, Industrieanlagen, Medizintechnik sowie Luft- und Raumfahrt.

Selective Electron Beam Melting (SEBM)

Es konnten parallel zur Maschinenbeschaffung erste Projekte für Bauteile aus Ti-6Al-4V für die Luftfahrt  und TiAl für den Automobilbau initiiert werden, die das oben genannte große industrielle Interesse widerspiegeln. Darüber hinaus gibt es Anfragen für die Auftragsforschung in der Werkstoffentwicklung für den SEBM-Prozess. Mit der Vision des Aufbaus eines Anwenderzentrums Elektronenstrahlschmelzen werden zukünftig Arbeiten mit Maschinen möglich sein, die sowohl über leistungsstärkere Elektronenstrahlkanonen als auch größere Bauräume verfügen. Damit können höhere Bauraten und größere Bauteilabmessungen realisiert werden, wodurch die Attraktivität des Verfahrens für die Produktion wesentlich erhöht wird. Parallel dazu werden Entwicklungsarbeiten zur Verarbeitbarkeit kostengünstigerer Pulver initiiert, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wesentlich verbessert werden wird.

3D Metal Printing

Der 3D-Siebdruck wurde am Fraunhofer IFAM Dresden bereits seit 2008 entwickelt und besitzt hierbei eine Alleinstellung in Europa. In dieser Zeit konnte die Relevanz des Verfahrens durch Bauteilentwicklungen in unterschiedlichen Branchen nachgewiesen werden. Die Anwendungsbreite spiegelt dabei den gesamten Wirtschaftsstandort Deutschland wieder. Beispielhaft seien dabei genannt Bauteile für die Medizintechnik aus Titan und Refraktärmetallen, Entwicklungen im Automotive für neue elektrische Antriebskonzepte, neuartigen Strukturen aus Stahl für die Chemie- und Verfahrenstechnik, Kühlerentwicklungen aus Kupfer in der Energietechnik sowie Magnetwerkstoffe aus seltenen Erden.

Der erfolgreichen Entwicklung der letzten Jahre wurde dabei mit der Gründung der Arbeitsgruppe 3D Metal Printing mit einer Mitarbeiterzahl von sechs Personen zum Jahreswechsel 2014 Rechnung getragen. Zukünftig sollen mit der neuen revolutionären Anlagentechnik weitere Anwendungsfelder erschlossen werden, wobei neben der reinen Bauteil- und Prozessentwicklung der Schwerpunkt noch stärker auf die Qualitätssicherung weitere Produktivitätssteigerung gelegt werden soll, um mit potentiellen Anwendern die industrielle Umsetzung zu begleiten.