Elektronenstrahlschmelzen

Key Words: EBM, Designfreiheit, Aufbau ohne Supportstrukturen

Erhöhte Designfreiheit und reduzierte Fehlerdichte

Elektronen­strahlschmelzen (EBM) zählt zu den pulverbett-basierten Additive Manufacturing (AM) Prozessen und benötigt keine Stütz­strukturen. Im EBM-Verfahren werden Bau­teile schicht­weise von unten nach oben unter Nutzung von Metall­pulver aufgebaut. Anders als andere AM-Prozesse, verfügt das EBM über ein einzigartiges Vorheiz­prinzip: Das Vorheizen erfolgt nicht nur von oben, sondern auch bei jeder Schicht bevor sie im Vakuum durch einen Elektronen­strahl selektiv umge­schmolzen wird. Das Resultat dieser schicht­weisen Vorheizung sind gesinterte Pulver­schichten. Sintern ist eine ther­mische Behandlung zur Bindung von Partikeln in kohärente, überwiegend feste Strukturen mittels Stofftransport. Diese Bindung führt zu einer verbesserten Festig­keit und verleiht den gesinterten Pulver­schichten den Vorteil, Lasten tragen zu können. So können Überhang­strukturen ohne Stütz­strukturen hergestellt und die Design­freiheit von AM erhöht werden. Im Vergleich hierzu, ist der Einsatz von Sützstrukturen im Laser Powder Bed Fusion (LBPF) nahezu alltäglich. Sie beeinflussen jedoch die finale Mikro­struktur des Bauteils und erhöhen den Nachbearbeitungaufwand, da sie vom Bauteil entfernt werden müssen. Darüber hinaus ermöglichen die gesinterten Pulver­schichten das Stapeln von Bau­teilen. 

Abhängig von Größe und Geometrie können dadurch Hunderte von Bauteilen innerhalb eines Baujobs hergestellt und der Preis pro Einheit maßgeblich reduziert werden. Außerdem kann die Nach­bearbeitung der Bauteile zur Verbesserung der Oberflächengüte mit der Entfernung des gesinterten Pulvers kombiniert werden. Im EBM-Verfahrenkommen größere Pulver­partikel­größen­verteilungen und dicker Pulver­schichten zum Einsatz, wodurch die Aufbau­rate signifikant gesteigert wird. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in der verbesserten Wärme­dispersion. Sie ist das Resultat des Sinterns und führt zu geringeren Temperatur­gradienten im Bauteil und somit zu einem reduzierten Verzug und einer verringerten Rissdichte im Bauteil. EBM ist aufgrund der verbesserten Design­freiheit und der reduzierten Defekt­dichte vor allem für die Medizin-, Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobil­industrie von Interesse. Unter Berücksichtigung dieser Branchen werden unter anderem Ti-64, verschiedene Stähle, Ni-Super­legierungen, Kupfer und Ti-Aluminide untersucht. Insbesondere die Elektro­mobilität stellt ein vielversprechendes Forschungsfeld hinsichtlich der verwendeten Materialien und Produkte für den Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion DAP der RWTH Aachen dar.

Bild: Kugellager mit Überhangstrukturen, das mittels EBM ohne den Einsatz von Stützstrukturen in Zusammenarbeit mit der CEROBEAR GmbH hergestellt wurde. © RWTH DAP.

 

Sandra Megahed, M. Sc.

RWTH Aachen Lehrstuhl für
Digital Additive Production DAP
Campus-Boulevard 73
52074 Aachen

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