EBM Additive Fertigung

Überblick über die additive Fertigung mit EBM

Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) handelt es sich um eine Art der additiven Pulverbettschmelzfertigung, bei der mithilfe eines Elektronenstrahls metallische Pulverpartikel Schicht für Schicht selektiv geschmolzen und verschmolzen werden, um komplexe 3D-Teile aufzubauen.

Zu den Hauptmerkmalen des EBM-Prozesses gehören:

Erstellt vollständig dichte Teile aus Metallpulver-Ausgangsmaterial
Verwendet einen Elektronenstrahl als Energiequelle
Funktioniert unter Vakuum und hoher Temperatur
Erzielt hervorragende mechanische Eigenschaften
Ideal für reaktive Metalle wie Titan und Tantal
Ermöglicht komplexe Geometrien, die mit maschineller Bearbeitung nicht möglich sind
Um das endgültige Finish des Teils zu erreichen, kann eine Nachbearbeitung erforderlich sein

EBM bietet die Vorteile von Designfreiheit, Teilekonsolidierung, reduziertem Gewicht und Leistungsverbesserungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Medizin, Zahnmedizin, Automobil und Industrie.

Wie EBM Additive Fertigung Funktioniert

Der additive Fertigungsprozess EBM funktioniert wie folgt:

Ein 3D-CAD-Modell wird in dünne Querschnittsschichten geschnitten.
Metallpulver wird gleichmäßig über eine Bauplatte in der Vakuumkammer verteilt.
Ein Elektronenstrahl scannt das Pulver selektiv und schmilzt es basierend auf den Schnittdaten.
Die Bauplatte fällt herunter und eine weitere Schicht Pulver wird darüber verteilt.
Wiederholen Sie die Schritte 3-4, bis das Teil fertig ist.
Überschüssiges Pulver wird entfernt und das Teil wird wärmebehandelt.
Bei Bedarf können Nachbearbeitungen wie spanende Bearbeitung oder Bohren durchgeführt werden.

Die EBM-Maschine steuert den Elektronenstrahl mithilfe elektromagnetischer Linsen und Ablenkspulen präzise. Der Prozess findet unter Hochvakuum statt, was sehr hohe Schmelztemperaturen ermöglicht.

Arten von EBM-Systemen für die additive Fertigung

Es gibt zwei Haupttypen von EBM-Maschinen:

Maschinentyp	Beschreibung	Größe bauen	Materialien	Anwendungen
Kleine Systeme	Geringere Kosten, geeignet für Kleinteile	150 x 150 x 150 mm	Titan, Kobalt-Chrom, Edelstahl, Werkzeugstahl	Zahnmedizin, Medizin, Forschung
Große Systeme	Für Anwendungen in der Großserienproduktion	500 x 400 x 400 mm	Titan, Inconel, Tantal	Luft- und Raumfahrt, Automobil, Industrie

Arcam EBM und GE Additive sind die größten Hersteller von EBM-Systemen, die sowohl kleine als auch große Maschinen anbieten.

Materialien für die additive EBM-Fertigung

Mit der EBM-Technologie können eine Reihe von Metallen bearbeitet werden:

Titan-Legierungen: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
Nickel-Legierungen: Inconel 718, Inconel 625
Kobalt-Chrom-Legierungen: CoCrMo
Stähle: Edelstähle, Werkzeugstähle, Maraging-Stähle
Hochschmelzende Metalle: Tantal, Wolfram
Edelmetalle: Silber, Gold, Platin
Aluminium-Legierungen: AlSi10Mg

Titan ist aufgrund seiner Reaktivität besonders für EBM geeignet. Aber auch aus anderen fortschrittlichen Legierungen können mit dem Verfahren hochfeste und korrosionsbeständige Teile hergestellt werden.

Anwendungen der additiven EBM-Fertigung

Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Triebwerkskomponenten, Flugzeugzelle und Strukturteile

Medizinische Implantate: Orthopädische Implantate, Fixierungsgeräte, chirurgische Instrumente

Automobilindustrie: Turboladerräder, Ventilkörper, Teile des Kraftstoffsystems

Industriell: Wärmetauscher, Druckbehälter, Pumpengehäuse, Vorrichtungen und Vorrichtungen

Öl und Gas: Bohrlochwerkzeuge, Ventilkörper, Verteiler

Verteidigung: Satelliten- und UAV-Komponenten, Panzerung

EBM ermöglicht in diesen Branchen leichtere, stärkere und leistungsfähigere Komponenten mit optimierten Designs.

Vorteile von EBM Additive Fertigung

Zu den Vorteilen der EBM-Technologie gehören:

Geringe Porosität – Die Annäherung an die Dichte 100% führt zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften
Hohe Festigkeit – Titanlegierungen erreichen die Eigenschaften von Knetwerkstoffen und übertreffen diese sogar
Gestaltungsfreiheit – Komplexe Geometrien können hergestellt werden
Schnelles Prototyping – Beschleunigt Produktentwicklungszyklen
Teilweise Konsolidierung – Reduziert Baugruppen durch die Integration mehrerer Komponenten
Gewichtsreduzierung – Leichtere Komponenten ermöglichen Kraftstoffeinsparungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Just-in-time-Produktion – Reduziert lange Lieferzeiten für Guss- und Schmiedeteile
Sonderanfertigungen – Patientenspezifische Medizinprodukte und personalisierte Konsumgüter
Nachhaltige Produktion – Reduziert den Abfall im Vergleich zu subtraktiven Methoden

Diese Vorteile fördern die branchenübergreifende Einführung von EBM, um die Leistung zu verbessern, Kosten zu senken und neue Produktinnovationen zu ermöglichen.

Einschränkungen der additiven EBM-Fertigung

EBM hat einige Einschränkungen:

Hoher Ausrüstungsaufwand – EBM-Maschinen haben hohe Vorabinvestitionskosten im Bereich von $500.000 bis $1,5 Millionen
Einschränkungen hinsichtlich der Teilegröße – Bauhüllen schränken die maximalen Teileabmessungen ein
Dimensionale Genauigkeit – Oft ist eine Nachbearbeitung erforderlich, um enge Toleranzen zu erreichen
Oberflächengüte – Der Treppenstufeneffekt führt zu rauen Oberflächen, die einer Nachbearbeitung bedürfen
Baurate – Langsamer als Pulverbettschmelzverfahren mit Laser- oder Elektronenstrahlen
Reaktive Metalle – Beschränkt auf inerte Metalle oder Metalle wie Titan und Tantal
Pulverentfernung – Nicht verwendetes Metallpulver muss entfernt und recycelt werden
Thermische Spannungen – Kann zu Verformungen und Rissen an Teilen führen

Kontinuierliche Entwicklungen in der EBM-Technologie zielen darauf ab, Geschwindigkeit, Qualität, Materialflexibilität und Kosteneffizienz zu verbessern.

Designprinzipien für die additive Fertigung mit EBM

Die Einhaltung von Designrichtlinien ist für den erfolgreichen Einsatz der EBM-Technologie von entscheidender Bedeutung:

Minimieren Sie Überhänge und nicht unterstützte Geometrien
Fügen Sie kleine Löcher (1–2 mm) ein, um überschüssiges Pulver zu entfernen
Nutzen Sie Gitterstrukturen, um das Gewicht zu reduzieren
Wandstärken über 1 mm beibehalten
Berücksichtigen Sie Winkel ≥ 30°, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden
Berücksichtigen Sie den linearen Skalierungsfaktor 0,2%
Lassen Sie bei feinen Details eine Toleranz von 0,2 mm zu
Entwerfen Sie interne Kanäle ≥ 2 mm für Pulverfreiheit
Minimieren Sie Bereiche, in denen sich Pulver ansammelt
Positionieren Sie das Teil auf der Platte, um die Querschnittsfläche zu minimieren

Mithilfe von Simulationstools können Sie die Designleistung schon früh im Designprozess beurteilen. Designs können speziell für AM-Funktionen optimiert werden.

Prozessparameter für EBM

Zu den kritischen EBM-Prozessparametern gehören:

Strahlleistung – Beeinflusst die Aufbaugeschwindigkeit, Porosität und Mikrostruktur
Strahlgeschwindigkeit – Höhere Geschwindigkeiten erhöhen die Baugeschwindigkeit, können jedoch die Dichte beeinträchtigen
Strahlfokus – Fokussierung und Ablenkungskontrollfusion
Scan-Strategie – Durch die abwechselnde Rasterrichtung zwischen den Schichten werden Eigenspannungen reduziert
Schichtdicke – Feinere Schichten verbessern die Auflösung, verringern jedoch die Aufbaugeschwindigkeit
Temperatur aufbauen – Höhere Temperaturen verringern die Eigenspannungen, beeinträchtigen jedoch die Präzision
Größe des Schmelzbades – Beeinflusst die lokale Mikrostruktur und Eigenschaften
Rohstoff – Die Größenverteilung und Morphologie des Pulvers beeinflusst Dichte und Oberflächenbeschaffenheit

Durch die Steuerung dieser Parameter können Eigenschaften und Qualität für bestimmte Anwendungen eingestellt werden.

Nachbearbeitung für EBM-Teile

Zu den üblichen Nachbearbeitungsschritten für EBM-Teile gehören:

Pulverentfernung – Perlstrahlen, um überschüssiges Pulver aus inneren Hohlräumen zu entfernen
Stressabbau – Heißisostatisches Pressen kann helfen, Eigenspannungen zu reduzieren
Abgeschnitten – Drahterodiermaschine zum Entfernen von Teilen von der Bauplatte
Bearbeitung – CNC-Fräsen, Drehen, Bohren zur Erzielung von Maßgenauigkeit und Oberflächengüte
Polieren – Für glänzende Oberflächen auf optischen Teilen wie Schmuck und medizinischen Implantaten
Beschichtungen – Aufbringen verschleißfester, reibungsarmer oder ästhetischer Beschichtungen
Qualitätsprüfung – Messen Sie mechanische Eigenschaften, interne Defekte und Mikrostruktur

Durch die Minimierung der Nachbearbeitung werden die Gesamtkosten der Teile gesenkt. Bei kritischen Anwendungen kann jedoch eine umfangreiche Nachbearbeitung erforderlich sein, um die Spezifikationen zu erfüllen.

Qualitätskontrolle für EBM

Strenge Qualitätskontrollverfahren für die EBM-Produktion umfassen:

Rohmaterialinspektion – Siebanalyse, Durchflussprüfung und Mikroskopie von Rohmaterialpulver
In-Prozess-Überwachung – Schmelzbadgröße, Pulverbetttemperatur, Vakuumniveau
Maßprüfungen – KMG und andere messtechnische Prüfungen kritischer Maße
Mechanische Prüfung – Zug, Druck, Mikrohärte, Bruchzähigkeit, Ermüdung
Zerstörungsfreie Bewertung – Röntgen-Computertomographie zur Prüfung auf interne Defekte
Metallographie – Mikrostrukturelle Charakterisierung mittels optischer und Elektronenmikroskopie
Dichteanalyse – Archimedes-Methode oder Heliumpyknometrie zur Überprüfung einer Dichte von ≥ 99,5%
Messung der Oberflächenrauheit – Optische Profilometrie zur Quantifizierung der Oberflächentextur
Chemische Analyse – ICP und Massenspektroskopie zur Überprüfung der Zusammensetzung
Validierungs-Builds – Test-Builds zur Überprüfung der Prozessparameter für neue Teile

Diese umfassenden Tests verifizieren die Produktqualität von EBM für anspruchsvolle industrielle Anwendungen.

Kostenmodellierung für EBM Additive Fertigung

Die Gesamtkosten hängen ab von:

Maschinenkosten – Hohe Investitionen in die Ausrüstung
Materialkosten – Pulverrohstoffkosten/kg
Betriebskosten – Arbeit, Energie, Wartung, Inertgas
Nachbearbeitung – Zusätzliche Bearbeitung und Endbearbeitung
Bauen Sie Geschwindigkeit auf – Schnellere Builds senken die Kosten
Nutzungsrate – Eine höhere Maschinennutzung verteilt die Kosten auf mehr Teile
Buy-to-fly-Verhältnis – Nicht verwendetes Pulver muss recycelt werden, was zusätzliche Kosten verursacht
Teilegeometrie – Kompakte Teile maximieren die Nutzung des Bauvolumens
Volumen aufbauen – Größere Maschinen ermöglichen einen höheren Durchsatz
Größenvorteile – Die Produktion hoher Stückzahlen reduziert die Kosten pro Teil

Mit steigenden Produktionsmengen sinken die Kosten erheblich und überschüssiges Pulver kann wiederverwendet werden.

Auswahl eines EBM-Anbieters für additive Fertigung

Kriterien zur Auswahl eines EBM-Dienstleisters:

Bewährte Systeminstallationen und Kundenreferenzen
Vielfältige zertifizierte Erfahrung in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Medizin und Industrieanwendungen
Auswahl an qualifizierten Materialien wie Titan, Inconel, Kobalt-Chrom
Zertifizierung des Qualitätsmanagementsystems – ISO 9001, AS9100
Strenge Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle
Bestand an Standard- und Spezialpulvern
Sekundäre interne Bearbeitungs- und Endbearbeitungsmöglichkeiten
Designunterstützung und Build-Simulationsdienste
Professionelle Ingenieure mit Fachkenntnissen in der Metallurgie
Große Bauräume für hohen Durchsatz
Wettbewerbsfähige Preisstruktur transparent kommuniziert
Kann ITAR und andere regulierte Projekte verwalten
In der Nähe gelegen, sodass persönliche Treffen und Zusammenarbeit möglich sind

Etablierte Dienstleister mit einer Erfolgsbilanz in regulierten Branchen erfüllen in der Regel die strengen Qualitätsanforderungen am besten.

Vor- und Nachteile von EBM im Vergleich zu anderen AM-Methoden

Vorteile von EBM:

Völlig dichte Metallteile, die mit Schmiedeeigenschaften mithalten können
Gute Oberflächengüte auf nach oben gerichteten Flächen
Hohe Aufbaurate im Vergleich zu Laserverfahren
Geringe Eigenspannungen im Vergleich zum Laser-Pulverbettschmelzen
Hervorragende mechanische Eigenschaften der fertigen Bauteile
Die Kontrolle des Schmelzbades ermöglicht eine Verfeinerung der Mikrostruktur
Inerte Baubedingungen, ideal für reaktive Metalle wie Titan
Kostengünstig für mittlere bis hohe Produktionsmengen

Nachteile von EBM:

Höhere Ausrüstungskosten als Polymersysteme
Begrenzte Materialoptionen im Vergleich zu Laser-PBF
Kontrollierter Prozess, der geschulte Bediener erfordert
Erhebliche Nachbearbeitung oft erforderlich
Verbraucht große Mengen an elektrischer Energie
Maximale Teilegröße durch Bauraum begrenzt
Handhabung und Recycling reaktiver Metallpulver
Geringere Profilgenauigkeit als bearbeitete oder geschmiedete Teile

Bei der Produktion von Metallkomponenten mit mittlerem bis hohem Volumen zeichnet sich EBM dadurch aus, dass es hohe Festigkeit und Qualität zu angemessenen Kosten liefert. Es erfordert jedoch Erfahrung, den Prozess zu beherrschen.

Vergleich von EBM vs. DMLS und SLM

EBM vs. DMLS:

Parameter	EBM	DMLS
Strahlquelle	Elektronenstrahl	Faserlaser
Atomsphäre	Vakuum	Inertes Gas
Typische Materialien	Titanlegierungen, Tantal, Inconel	Edelstahl, Kobaltchrom, Aluminium
Baurate	Hoch	Mittel
Oberflächengüte	Mäßig	Sehr hoch
Kosten pro Teil	Mäßig	Hoch
Maximale Teilegröße	Groß	Mittel

EBM vs. SLM:

Parameter	EBM	SLM
Strahlquelle	Elektronenstrahl	Faserlaser
Atmosphäre	Vakuum	Inertes Gas
Typische Materialien	Titan, Tantal, Inconel	Aluminiumlegierungen, Stähle, Nickellegierungen
Verbleibender Stress	Niedrig	Hoch
Mechanische Eigenschaften	Ausgezeichnet	Sehr gut
Kosten pro Teil	Mäßig	Niedrig
Genauigkeit	Mäßig	Hoch

FAQ

Welche Materialien können mit der EBM-Technologie bearbeitet werden?

Die gebräuchlichsten EBM-Materialien sind Titanlegierungen, Nickellegierungen wie Inconel, Kobalt-Chrom und einige Werkzeugstähle. In jüngerer Zeit werden auch hochschmelzende Metalle und Aluminiumlegierungen eingesetzt.

Welche Schichtdicken können mit EBM-Systemen erreicht werden?

EBM-Maschinen können Schichten mit einer Dicke von bis zu 50 Mikrometern abscheiden. Dünnere Schichten von 25–35 Mikrometern sind typisch für kleine, komplizierte Komponenten, während 70–100 Mikrometer für größere, grobe Teile verwendet werden.

Welche Nachbearbeitungsmethoden werden für EBM-Komponenten verwendet?

Typische Nachbearbeitungen umfassen das Entfernen von Pulver, das Entspannen von Spannungen, das Abtrennen von der Platte, die maschinelle Bearbeitung, Oberflächenbehandlungen wie Schleifen oder Polieren sowie Inspektionen und Tests.

Welche Präzision und Oberflächenbeschaffenheit kann mit EBM-Teilen erreicht werden?

Eine Maßgenauigkeit von etwa ±0,21 TP3T (±0,5 mm pro 25 cm) ist erreichbar, die Toleranzen können jedoch durch Nachbearbeitung weiter verbessert werden. Die Oberflächenrauheit im gebauten Zustand liegt zwischen 10 und 50 μm Ra.

Wie schneidet EBM im Vergleich zu DMLS für Luft- und Raumfahrtanwendungen ab?

EBM kann die Materialeigenschaften traditionell geschmiedeter Titankomponenten für Strukturanwendungen erreichen. Es bietet höhere Aufbauraten als DMLS, erfordert jedoch in der Regel eine umfangreichere Nachbearbeitung.

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