Übersicht von Elektronenstrahlschmelzen 3d Drucker
Elektronenstrahlschmelzen 3d Drucker ist eine additive Fertigungstechnologie, die üblicherweise für den 3D-Druck von Metallteilen verwendet wird. Ein Elektronenstrahl schmilzt selektiv Metallpulver Schicht für Schicht auf der Grundlage eines CAD-Modells, um komplexe Geometrien zu erzeugen, die in der konventionellen Fertigung nicht erreicht werden.
EBM 3D-Drucker bieten Vorteile wie Designfreiheit, Massenanpassung, weniger Abfall und geringes Gewicht. Die wichtigsten Anwendungen liegen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin-, Dental- und Automobilindustrie. Zu den mit EBM-Systemen gedruckten Materialien gehören Titan, Nickellegierungen, Edelstahl, Aluminium und Kobalt-Chrom.
EBM 3D-Drucker-Typen
| Drucker | Hersteller | Volumen aufbauen | Schichtdicke | Strahlleistung |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM Spectra H | GE-Zusatzstoff | 275 x 275 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q10plus | GE-Zusatzstoff | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q20plus | GE-Zusatzstoff | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky Inc. | 1500 x 750 x 750 mm | 150 μm | 30-60 kW |
EBM-Druckverfahren
Das EBM-Druckverfahren funktioniert wie folgt:
- Metallpulver wird mit Hilfe eines Rechenmechanismus gleichmäßig auf einer Bauplatte verteilt
- Ein Elektronenstrahl heizt das Metallpulver selektiv auf etwa 80% seines Schmelzpunktes vor, wodurch die Partikel zusammengesintert werden
- Der Elektronenstrahl führt einen zweiten Durchgang durch und schmilzt das Material entsprechend der Schichtgeometrie schnell auf.
- Die Bauplatte senkt sich und eine weitere Schicht Pulver wird auf die Bauplattform aufgetragen.
- Die Schritte 2 bis 4 werden wiederholt, bis das gesamte Teil aus Schichten geschmolzenen Metalls aufgebaut ist.
EBM-Drucker-Hardwarekomponenten
EBM-Drucker enthalten die folgenden wichtigen Hardwarekomponenten, die den Druckvorgang ermöglichen:
- Elektronenkanone: Erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl zum selektiven Schmelzen des Metallpulvers entsprechend den in den Drucker eingegebenen CAD-Daten. Die Elektronen werden von einer Wolframglühkathode emittiert und auf eine hohe kinetische Energie beschleunigt. Elektromagnete fokussieren und lenken den Strahl ab.
- Handhabung von Pulver: In den Pulverbehältern wird das Rohmaterial gelagert, das vor jeder Druckschicht auf die Bauplatte geschüttet wird. Überlaufendes Pulver wird aufgefangen und zur Wiederverwendung gesiebt.
- Tank bauen: Versiegelte Kammer, in der das Schmelzen der Schichten bei hoher Temperatur im Vakuum stattfindet. Merkmale wie Heizelemente und thermische Abschirmungen sorgen für eine Umgebungstemperatur von bis zu 1000°C im Baubereich.
- Kontrollsystem: Ermöglicht die Steuerung von Betriebsparametern wie Geschwindigkeit, Strahlleistung, Scanmuster und Temperatur über die Druckerschnittstellensoftware. Erleichtert auch das Laden von CAD-Modellen.
EBM-Materialien zum Ausdrucken
| Material | Typ | Merkmale | Anwendungen | Anbieter | Preis |
|---|---|---|---|---|---|
| Titan-Legierungen | Ti-6Al-4V (Grad 5), Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | Ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit | Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate und Geräte | AP&C, Carpenter Technologie | $350-$500 pro kg |
| Nickel-Legierungen | Inconel 718, Inconel 625, Inconel 939 | Hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit | Triebwerksteile für die Luft- und Raumfahrt, Stromerzeugungsanlagen | Sandvik | $500-$800 pro kg |
| Rostfreie Stähle | 316L, 17-4PH, 15-5PH, Duplex | Hohe Härte und Verschleißfestigkeit | Lebensmittel/Medizinische Geräte, Werkzeugbau, Automobilbau | Sandvik, LPW-Technologie | $90-$350 pro kg |
| Kobalt-Chrom | CoCrMo | Hervorragende Ermüdungsfestigkeit und Verschleißeigenschaften | Zahnkappen und -brücken, medizinische Implantate | SLM-Lösungen | $270-$520 pro kg |
| Aluminium | AlSi10Mg | Geringe Dichte, gute Wärmeleitfähigkeit | Halterungen für die Luft- und Raumfahrt, Automobilteile | AP&C | $95-$150 pro kg |
Vorteile des EBM 3D-Drucks
| Parameter | Nutzen Sie |
|---|---|
| Gestaltungsfreiheit | Komplexe Geometrien wie Gitter, interne Kanäle sind druckbar |
| Schnelles Prototyping | Iterationen innerhalb von Tagen im Vergleich zu Wochen bei herkömmlichen Methoden |
| Massenanpassung | Ein und derselbe Drucker kann eine Vielzahl von personalisierten Teilen herstellen |
| Hohe Dichte | Nahezu 100% dichtes Metall mit mechanischen Eigenschaften, die der traditionellen Fertigung nahe kommen |
| Minimale maschinelle Bearbeitung | Reduzierte Nachbearbeitung, da die Qualität im Druckzustand recht gut ist |
| Reduzierter Abfall | Nur die benötigte Menge an Material verwenden im Vergleich zu subtraktiven Verfahren |
| Gleichbleibende Qualität | Vollständig automatisierter Prozess ermöglicht Wiederholbarkeit bei der Herstellung |
| Kostenvorteile | Skaleneffekte durch Konsolidierung von Werkzeugen, Montage und Logistik über die Konsolidierung von Teilen |
Beschränkungen des EBM-Drucks
| Nachteil | Beschreibung |
|---|---|
| Geometrische Beschränkungen | Abgestützte Winkel begrenzt um 60° Überhänge, Mindestwandstärke 0,3-0,4 mm |
| Entfernung von Pulver | In internen Kanälen oder Volumina, die nicht der Außenluft ausgesetzt sind, kann sich Pulver verfangen haben. |
| Strahlenverschlüsse | Einige konkave Bereiche oder tiefe innere Merkmale können für den Elektronenstrahl unerreichbar sein |
| Thermische Spannungen | Schnelles Erhitzen/Abkühlen während der Verarbeitung kann aufgrund von Temperaturgradienten zu Rissen führen. |
| Nachbearbeitung | Einige sekundäre Endbearbeitungen sind für glattere Oberflächen oder engere Toleranzen noch erforderlich |
| Beschränkungen der Baugröße | Komponenten, die größer sind als die Abmessungen des Druckerumschlags, können nicht gedruckt werden. |
| Hohe Ausrüstungskosten | Drucker $500,000+, beschränken die Akzeptanz bei kleineren Unternehmen und Einzelanwendern |
Kostenaufschlüsselung
Ein Kostenvergleich für die Herstellung von 10-Kobalt-Chrom-Zahnkappen auf einem Arcam EBM-Drucker ist unten dargestellt:
| Ausgaben | Insgesamt ($) | Pro Einheit ($) |
|---|---|---|
| Abschreibung von Druckern | $2,000 | $200 |
| Werkstoff (CoCrMo-Pulver) | $1,500 | $150 |
| Arbeit | $100 | $10 |
| Insgesamt | $3,600 | $360 |
Im Gegensatz dazu würde das Outsourcing der Wachsmodellherstellung und des Wachsausschmelzverfahrens für 10 Stück $600 pro Stück kosten - EBM bietet also eine erhebliche Kostenreduzierung pro Stück, insbesondere bei höheren Stückzahlen.
Elektronenstrahlschmelzen 3d Drucker Anbieter
Zu den führenden Herstellern von EBM-Druckern und Anbietern von Metallpulvermaterialien gehören:
| Unternehmen | Standort des Hauptsitzes | Angebotene Druckermodelle | Unterstützte Materialien |
|---|---|---|---|
| GE-Zusatzstoffe | Kanada | Arcam EBM Spectra, Q-Serie | Ti-6-4, Inconel, CoCr, mehr |
| Sciaky Inc. | Vereinigte Staaten | Baureihe EBAM 300 | Titanlegierungen, Stähle, Aluminium |
| SLM-Lösungen | Deutschland | K.A. | CoCr, rostfreier Stahl, mehr |
| Tischlertechnik | Vereinigte Staaten | K.A. | Ti-6-4, Inconel-Legierungen, nichtrostende Stähle |
| LPW-Technologie | Vereinigtes Königreich | K.A. | Pulver aus Nickellegierungen und Aluminiumlegierungen |
| Sandvik | Schweden | K.A. | Osprey® Metallpulver für EBM |
Die durchschnittlichen Systemkosten belaufen sich auf $500.000 bis $1 Million, einschließlich der Zusatzausrüstung wie Pulverentfernungsstationen. Die Materialien reichen von $100 pro kg für Aluminium bis zu $800 pro kg für spezielle Nickelsuperlegierungen.
Elektronenstrahlschmelzen 3d Drucker Normen und Zertifizierungen
Zu den wichtigsten Normen im Zusammenhang mit Qualität, Spezifikationen und Prozesskontrolle für Elektronenstrahlschmelzsysteme gehören:
| Standard | Beschreibung |
|---|---|
| ISO 17296-2 | Additive Fertigung von Metallen - Verfahren, Materialien und Geometrien |
| ASTM F2971 | Standardverfahren für die Herstellung von Metallteilen durch EBM |
| ASTM F3184 | Standard für die Qualifizierung von EBM-Hardware |
| ASME BPVC Sec II-C | Definiert genehmigte Spezifikationen für EBM-Materialien |
Sowohl die EBM-Hardware als auch das Qualitätssystem des Herstellers können nach ISO 9001 zertifiziert sein. Für Luft- und Raumfahrtanwendungen gelten zusätzliche Spezifikationen wie AS9100D.
Elektronenstrahlschmelzen im Vergleich zu anderen Metall-AM
| Parameter | Elektronenstrahlschmelzen | Laser-Pulverbett-Fusion | Gezielte Energieabscheidung |
|---|---|---|---|
| Wärmequelle | Beschleunigter Elektronenstrahl | Yb-Faserlaser mit hoher Leistung | Fokussierter Laser oder E-Strahl |
| Atmosphäre | Vakuum | Inertes Gas | Luft oder Inertgas |
| Scan-Methode | Rasterung fokussierter Punkt | Rasterung des fokussierten Laserpunkts | Rasterung oder Einzelpunkt |
| Ablagerungsrate | 4-8 cm$^3$/Stunde | 4-20 cm$^3$/Stunde | 10-100 cm$^3$/Stunde |
| Genauigkeit | ± 0,1-0,3 mm oder ± 0,002 mm/mm | Bis zu ±0,025 mm oder ± 0,002 mm/mm | > 0,5 mm |
| Oberfläche | 15 μm Ra, 50 μm Rz | Bis zu 15 μm Rauhigkeit | > 25 μm Rauhigkeit |
| Kosten pro Teil | Mittel | Mittel | Niedrigste |
Anwendungen von Elektronenstrahlschmelzen 3d Drucker
Aufgrund seiner Fähigkeit, komplexe Geometrien in verschiedenen Hochleistungsmetallen herzustellen, wird das Elektronenstrahlschmelzen in verschiedenen Branchen eingesetzt:
Luft- und Raumfahrt: Die Gewichtsreduzierung von Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Halterungen und Streben aus Titan- und Nickellegierungen bietet Vorteile bei der Treibstoffeffizienz. EBM ermöglicht auch die Konsolidierung von Flüssigkeitsführungskanälen und Befestigungselementen in einzelnen Teilen.
Medizin und Zahnmedizin: Kobaltchrom- und Titanimplantate mit porösen Oberflächen, die die Osseointegration fördern, können mittels EBM auf die Anatomie des Patienten zugeschnitten werden. Signifikante Anpassung und Abfallreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen Standardimplantatgrößen und -formen.
Automobilindustrie: Durch die Gewichtsreduzierung von Teilen wie Ventilabdeckungen aus Aluminium oder Titan und Bremssätteln wird das Fahrzeuggewicht reduziert, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Auch Kleinserien von kundenspezifischen Turboladerrädern, die für Rennanwendungen optimiert sind, sind wirtschaftlich sinnvoll.
Werkzeuge: Konforme Kühlkanäle können in Spritzgießwerkzeuge eingebaut werden, um die Zykluszeiten zu verkürzen. Schnelle Durchlaufzeiten von 10-20 Iterationen des Kühlkanal-Layouts sind mit EBM möglich, im Gegensatz zu Wochen bei herkömmlichen Methoden.
FAQs
| Frage | Antwort |
|---|---|
| Wie verhält sich die Teilegenauigkeit zwischen EBM und herkömmlichen Fertigungsverfahren? | Bei EBM sind Maßgenauigkeiten und Toleranzen bis zu ±0,1 mm möglich, vergleichbar mit den Grenzen von Guss- und Schmiedeteilen. Durch CNC-Bearbeitung können bei Bedarf engere Toleranzen von ±0,01 mm erreicht werden. |
| Muss die raue EBM-Oberfläche im Druckverfahren nachbearbeitet werden? | Ja, der schichtweise Treppeneffekt verursacht in der Regel 10-15 μm Rauheit. Durch Trommeln, Polieren, Strahlen oder maschinelle Bearbeitung lassen sich bei Bedarf glattere Oberflächen bis zu 0,5 μm erzielen. |
| Kann jede Metalllegierung für EBM verwendet werden oder sind bestimmte Zusammensetzungen ungeeignet? | Legierungen, die aufgrund thermischer Spannungen zu Festkörperrissen neigen, können sich als schwierig erweisen - sehr hohe Ausdehnungskoeffizienten über 15 μm/(m ̊C) sollten vermieden werden. |
| Was ist der wichtigste Kompromiss zwischen Laser- und Elektronenstrahl-Pulverbettfusionsverfahren? | Laser bieten schnellere Aufbauraten von bis zu 100 cm$^3$/hr, aber die maximale Strahlleistung ist auf 1 kW begrenzt. Stärkere E-Strahlen von 8-60 kW ermöglichen ein tieferes Eindringen in dichte Metalle bei höherer Energieeffizienz. |
Zusammenfassung
Beim Elektronenstrahlschmelzen wird ein konzentrierter, leistungsstarker Elektronenstrahl im Vakuum eingesetzt, um Metallpulverpartikel selektiv Schicht für Schicht zu verschmelzen, bis vollständig dichte Teile entstehen. Mit EBM-3D-Druckern lassen sich hochkomplexe Geometrien herstellen, die von keiner anderen Technologie erreicht werden. Sie ermöglichen die individuelle Anpassung, Leichtbauweise und Konsolidierung von Teilen in verschiedenen Branchen, von medizinischen Geräten bis hin zu Komponenten für die Luft- und Raumfahrt. Obwohl das maximale Druckvolumen im Vergleich zu anderen additiven oder konventionellen Metallverfahren begrenzt ist, eröffnet das Elektronenstrahlschmelzen neue Designmöglichkeiten und flexible Fertigungsansätze, die bisher nicht möglich waren.
