Pulverbett Fusion

Übersicht

Das Pulverbettschmelzen ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem thermische Energie genutzt wird, um Bereiche eines Pulverbettes selektiv Schicht für Schicht zu verschmelzen und so Teile zu erzeugen. Es ist heute eine der am häufigsten verwendeten 3D-Drucktechnologien für Produktionsanwendungen aus Metall.

Einige wichtige Informationen über das Schmelzen im Pulverbett:

• Es gehört zur Familie der Bottich-Photopolymerisation in der additiven Fertigung.
• Eine thermische Energiequelle wie ein Laser- oder Elektronenstrahl wird verwendet, um Materialpulver zu schmelzen und miteinander zu verschmelzen.
• Bei den verwendeten Pulvern handelt es sich in der Regel um Metalle wie rostfreien Stahl, Titan, Aluminium, Nickellegierungen und Kobalt-Chrom. In einigen Verfahren können auch Polymere und Keramiken verwendet werden.
• Durch das Pulverbettschmelzen können vollständig dichte Metallteile mit mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, die mit denen der traditionellen Fertigung vergleichbar sind.
• Sie ermöglicht komplexe Geometrien, die mit herkömmlichen subtraktiven Techniken nicht möglich sind.
• Die Anwendungen reichen von der Luft- und Raumfahrt über die Medizin- und Dentaltechnik bis hin zur Automobilindustrie und der allgemeinen Industrie.
• Zu den gängigen Pulverbetttechnologien gehören das selektive Laserschmelzen (SLM), das direkte Metall-Lasersintern (DMLS), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und das Binder-Jetting.

Pulverbettschmelzverfahren

Es wurden verschiedene Technologien zum Schmelzen im Pulverbett entwickelt. Die wichtigsten davon sind:

Prozess	Beschreibung
Selektives Laserschmelzen (SLM)	Verwendet einen Hochleistungslaser zum vollständigen Schmelzen und Verschmelzen von Metallpulver im Bett.
Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS)	Ähnlich wie SLM, aber zum Sintern von Pulvern und nicht zum vollständigen Schmelzen.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)	Verwendet einen Elektronenstrahl als Energiequelle zum Schmelzen des Pulvers. Erfolgt im Vakuum.
Multi Jet Fusion (MJF)	Tintenstrahldruck eines Schmelzmittels auf ein Polymerpulverbett vor dem Sintern mit einer Energiequelle.
Binder Jetting	Selektiv aufgebrachtes flüssiges Bindemittel zur Bindung von pulverförmigem Material mit anschließender Sinterung.

Selektives Laserschmelzen (SLM) ist die heute am häufigsten eingesetzte Technologie des Pulverbettschmelzens. Ein Hochleistungslaser (z. B. Faser, CO2, YAG) wird auf ein Pulverbett fokussiert, um Schmelzbäder zu erzeugen und das Material zu verschmelzen. Nach jeder Schicht senkt sich das Pulverbett und neues Pulver wird darüber verteilt. Beim SLM wird das Material vollständig aufgeschmolzen, so dass völlig dichte Teile hergestellt werden können. Üblicherweise werden Materialien wie Edelstahl, Titan, Aluminium und Inconel verwendet.

Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) funktioniert ähnlich, zielt aber darauf ab, das Pulver nur teilweise zu schmelzen, um zwischen den Partikeln Nasen zu bilden und ein festes Teil zu erzeugen. DMLS hat im Vergleich zum SLM geringere Anforderungen an die Laserleistung.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verwendet einen unter Vakuum fokussierten Elektronenstrahl als Energiequelle, um die Metallpulver Schicht für Schicht zu schmelzen. EBM ermöglicht höhere Fertigungsraten als laserbasierte Verfahren, da der Strahl schneller scannen kann. EBM wird hauptsächlich bei Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Mehrstrahlfusion (MJF) verwendet Tintenstrahldruckköpfe, um selektiv Schmelzmittel auf ein Polymerpulverbett aufzutragen, das dann durch eine Energiequelle gesintert wird. MJF ermöglicht das Hochgeschwindigkeitssintern von Thermoplasten.

Bindemittelausstoß wird zunächst ein flüssiges Bindemittel in ausgewählten Bereichen aufgetragen, um das Pulvermaterial zu binden, und anschließend gesintert, um das Teil zu verdichten. Es kann für Metalle, Keramik und Polymere verwendet werden.

Pulverbettschmelzen Materialien

Bei der additiven Fertigung durch Pulverbettschmelzen kann eine Reihe von Materialien verwendet werden. Die gebräuchlichsten sind:

Material	Prozesse	Anwendungen
Rostfreier Stahl	SLM, DMLS, Binder-Jetting	Medizinische Implantate, Werkzeugbau, allgemeiner Maschinenbau
Titan-Legierungen	SLM, EBM	Luft- und Raumfahrt und medizinische Implantate
Aluminium-Legierungen	SLM, EBM	Leichtbau in der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Nickel-Superlegierungen	SLM, EBM	Turbinenschaufeln, Raketendüsen für extreme Umgebungen
Kobalt-Chrom	SLM, DMLS	Zahnimplantate und Prothetik
Polymere	MJF, Binder Jetting	Prototyping und Endverbraucher-Kunststoffteile
Keramik	Bindemittelausstoß	Medizinische Implantate, Luft- und Raumfahrt

Die am häufigsten verwendeten sind rostfreie Stähledie sich durch gute Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften auszeichnen. Titan-Legierungen wie Ti6Al4V sind in der Luft- und Raumfahrt wegen der Gewichtseinsparung gegenüber Stahl und Nickellegierungen beliebt. Aluminium-Legierungen ermöglichen leichte Teile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Nickel-Superlegierungen wie Inconel werden für Hochtemperatur-Turbinenschaufeln und Raketendüsen verwendet. Kobalt-Chrom-Legierungen sind biokompatibel und werden häufig für Zahnrestaurationen verwendet. Polymere wie Nylons, PEEK und Polyamide können für Kunststoffteile gesintert werden. Keramik wie Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid werden in medizinischen Implantaten verwendet.

Die Partikelgrößenverteilung, die Fließfähigkeit, die Packungsdichte und der Schmelzpunkt sind Schlüsseleigenschaften des Pulvermaterials, die die Verarbeitbarkeit und die Eigenschaften des Endprodukts bestimmen.

Pulverbettschmelzen Anwendungen

Die additive Fertigung durch Pulverbettschmelzen wird in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin-, Dental- und Automobilindustrie sowie im allgemeinen Maschinenbau eingesetzt. Typische Anwendungen sind:

Industrie	Anwendungen
Luft- und Raumfahrt	Turbinenschaufeln, Raketendüsen, Tragflächen, Satelliten, Drohnen
Medizinische	Orthopädische und zahnmedizinische Implantate, Prothetik, chirurgische Instrumente
Automobilindustrie	Leichtbau-Prototypen, kundenspezifischer Werkzeugbau
Industriell	Metallwerkzeuge, Bergbauausrüstung, Flüssigkeitsförderung
Architektur	Dekorative Elemente, Fassaden, Beleuchtung, Möbel

Unter Luft- und Raumfahrtist das Pulverbettschmelzen ideal für Einzelteile wie Satelliten und UAVs. Es wird für leichte Teile aus Titan- und Nickellegierungen wie Turbinen, Düsen und Flugzeugzellen verwendet.

Für medizinischEin wichtiger Anwendungsbereich sind maßgeschneiderte Implantate und Prothesen aus Titan und Kobaltchrom. Sie ermöglichen auch personalisierte chirurgische Instrumente.

Unter AutomobilDas Pulverbett wird für leichte Prototypen und kundenspezifische Werkzeuge und Vorrichtungen wie Lehren verwendet. Für Industrie Sie ermöglicht die Herstellung von Spezialwerkzeugen, Vorrichtungen und Metallteilen für den Endverbrauch.

Unter ArchitekturDie Pulverschmelze ermöglicht einzigartige Geometrien für dekorative und funktionelle Elemente in Gebäuden und Möbeln.

Vorteile der Pulverbettschweißung

Zu den wichtigsten Vorteilen der Pulverbettschmelztechnik gehören:

• Komplexe Geometrien - Komplizierte innere Merkmale und Gitter sind möglich.
• Personalisierung - Teile können für individuelle Anwendungen maßgeschneidert werden.
• Gewichtsreduzierung - Reduzierung des Bauteilgewichts durch Optimierung der Konstruktion.
• Konsolidierung - Zusammenfügen von Baugruppen zu Einzelteilen.
• Hohe Festigkeit - vollständig dichte Metalle, die mit der Festigkeit von Knetwerkstoffen vergleichbar sind.
• Kürzere Vorlaufzeiten - schnelle Umsetzung von der digitalen Datei zum Teil.
• Massenanpassung - Kombination von Größenvorteilen und individueller Anpassung der Teile.
• Nachhaltigkeit - weniger Abfall im Vergleich zu subtraktiven Verfahren.

Die Fähigkeit, dichte Metallteile mit kundenspezifischen komplexen Geometrien herzustellen, macht das Pulverbettschmelzen ideal für leichte, hochleistungsfähige Komponenten in allen Branchen. Die Technologie ermöglicht die Konsolidierung von Baugruppen zu Einzelteilen, was die Herstellungs- und Lagerkosten senkt. Der Einsatz der additiven Fertigung führt auch zu deutlich weniger Materialabfall als herkömmliche subtraktive Verfahren wie die CNC-Bearbeitung.

Grenzen des Pulverbettschmelzens

Einige der derzeitigen Einschränkungen sind:

• Größenbeschränkungen - Das Bauvolumen beträgt in der Regel weniger als 1 Kubikmeter.
• Oberflächengüte - Treppeneffekt, der eine Nachbearbeitung erfordert.
• Bauen Sie Geschwindigkeit auf - langsamer als Großserienfertigungsverfahren.
• Anisotrope Eigenschaften - richtungsabhängige Schwankungen der Materialeigenschaften.
• Normen - Fehlen von Codes und Spezifikationen für qualifizierte Teile.
• Software - Gestaltungsregeln und Komplexität der Dateivorbereitung.
• Kosten - die Ausrüstungs- und Materialkosten sind immer noch relativ hoch.

Die maximale Bauteilgröße ist durch das Bauvolumen der Maschinen begrenzt, das sich zwar verbessert hat, aber in der Regel immer noch weniger als 1 Kubikmeter beträgt. Der Schicht-für-Schicht-Prozess kann zu einer schlechten Oberflächenqualität führen, die geglättet und poliert werden muss.

Im Vergleich zu Großserientechnologien wie dem Spritzgießen sind die Fertigungsgeschwindigkeiten insgesamt langsamer. Außerdem können die Teile je nach Bauausrichtung anisotrope Eigenschaften aufweisen. Das Fehlen von Normen und Spezifikationen für die Qualifizierung gedruckter Teile ist in stark regulierten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik ebenfalls ein Hindernis. Die Entwicklung optimaler Teile und die Vorverarbeitung von Dateien erfordern fortgeschrittene Softwarekenntnisse.

Die System- und Materialkosten sind im Vergleich zur traditionellen Fertigung immer noch relativ hoch. Allerdings sinken die Kosten mit zunehmender Verbreitung, und viele Anwendungen können die Kosten aufgrund der Leistung der Teile, der individuellen Anpassung und der Designflexibilität rechtfertigen.

Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung bezieht sich auf die Schritte, die nach dem Bauprozess erforderlich sind, um ein fertiges Teil zu erhalten:

• Pulverentfernung - Die Teile werden mit Hilfe von Bürsten vom ungeschmolzenen Pulver getrennt.
• Unterstützt die Entfernung - Die Stützstrukturen werden abgeschnitten und die Oberfläche gereinigt.
• Oberflächenbehandlung - Schleifen, Schleifen, Perlstrahlen zur Verbesserung

Prozess-Parameter

Es gibt mehrere wichtige Prozessparameter, die zur Optimierung von Eigenschaften, Leistung und Produktivität beim Pulverbettschmelzen eingestellt werden können:

Parameter	Typischer Bereich	Wirkung
Laserleistung	50-500W	Schmelzgeschwindigkeit, Größe des Schmelzbeckens, Eindringtiefe
Scan-Geschwindigkeit	100-10.000 mm/s	Erstarrungsgeschwindigkeit, Abkühlungsgeschwindigkeit, Mikrogefüge
Abstand zwischen den Luken	50-200 μm	Überlappende Spuren, Dichte, Haftfestigkeit
Schichtdicke	20-100 μm	Auflösung, Oberflächenrauhigkeit, Bauzeit
Strategie für das Scannen	Inseln, Streifen, Schachbrett	Eigenspannungen, Verformung, Anisotropie
Prozess-Atmosphäre	Vakuum, Inertgas	Oxidation, Verschmutzung, Porosität

Laserleistung beeinflusst den Energieeintrag, die Schmelzleistung, die Größe des Schmelzbeckens und die Eindringtiefe. Scan-Geschwindigkeit steuert die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Abkühlungsgeschwindigkeit, die die Kornmorphologie und die Defektbildung beeinflussen.

Abstand zwischen den Luken legt den Abstand zwischen den Scanspuren fest und wirkt sich auf die Überlappung, die Verdichtung und die Bindung zwischen den Schichten aus. Schichtdicke bestimmt die Auflösung, die Oberflächenrauhigkeit und die Gesamtbauzeit.

Strategie für das Scannen (Scanmuster) beeinflusst Eigenspannungen, Verzug und anisotrope Eigenschaften je nach Druckrichtung. Prozess-Atmosphäre bestimmt den Grad der Oxidation und Verunreinigung.

Pulver-Recycling

• Ungeschmolzenes Pulver kann geerntet und gesiebt werden, um große Partikel zu entfernen.
• Wiederverwendung für bis zu 20 Zyklen typischerweise
• Reduziert die Pulverkosten erheblich
• Zugabe von Frischpulver zur Auffüllung und Erhaltung der Chemie
• Auf Wiederverwendungsschwellen überwachte Eigenschaften

Beim Pulverbettschmelzverfahren wird ungeschmolzenes Pulver für weitere Aufbauten wiederverwendet. Nach der Entpuderung wird das lose Pulver geerntet, gesiebt, um große Partikel zu entfernen, und vor der Wiederverwendung mit frischem Pulver gemischt.

Typische Wiederverwendungsraten liegen bei bis zu 20 Zyklen, je nach Material, Änderung der Partikelgröße und Verschmutzungsgrad. Dieses Recycling verbessert die Materialeffizienz erheblich und senkt die Gesamtkosten der Teile. Das Verhältnis und die Eigenschaften des wiederverwendeten Pulvers werden überwacht, um die Auffrischungsraten zu bestimmen.

Qualitätskontrolle

Zu den wichtigsten Maßnahmen zur Qualitätskontrolle beim Pulverbettschmelzen gehören:

• Chemische Analyse von Pulvern
• Analyse der Partikelgrößenverteilung
• Verfolgung der Wiederverwendung von Pulvern
• Überwachung des Schmelzepools
• Prüfung der Teilegeometrie
• Prüfung mechanischer Eigenschaften
• Zerstörungsfreie Prüfung (z. B. Röntgen)
• CT-Untersuchung auf innere Defekte
• Messung der Oberflächenrauhigkeit

Die Chemie des Eingangspulvers und die Partikelgrößenverteilung werden analysiert, um eine hohe Qualität zu gewährleisten. Die Pulverauffrischungsraten werden verfolgt. Prozessbegleitende Überwachungssysteme wie die Schmelzbadüberwachung erkennen Fehler während der Herstellung.

Gedruckte Teile werden auf geometrische Toleranzen hin vermessen. Bei der mechanischen Prüfung werden die Eigenschaften auf der Grundlage der Prozessparameter und der Bauausrichtung bewertet. Durch zerstörungsfreies Scannen und CT-Scannen werden interne Fehler identifiziert. Die Oberflächenbearbeitung wird bewertet. Alle Daten werden analysiert, um die Prozesse zu kalibrieren und zu optimieren.

Kostenanalyse

Die typischen Kosten für Teile aus dem Pulverbettschmelzverfahren hängen davon ab:

• Abschreibung von Maschinen
• Materialkosten
• Arbeit für Vor- und Nachbereitung
• Bauzeit und Energieverbrauch
• Menge des wiederverwendbaren Pulvers
• Buy-to-fly-Verhältnis

Die Kosten für die Maschinenausstattung werden über die erwartete Lebensdauer auf der Grundlage der Nutzung abgeschrieben. Die Materialkosten werden auf der Grundlage des Teilevolumens und des Einkaufsverhältnisses berechnet. Der Arbeitsaufwand umfasst die Vorbereitung der Dateien, das Einrichten, das Entladen und die Endbearbeitung.

Der Energieverbrauch hängt von der Bauzeit und dem Leistungsniveau ab. Wiederverwendbares Pulver senkt die Gesamtmaterialkosten. Bei hochwertigen Teilen ist ein Verhältnis von 3:1 bis zu 20:1 üblich.

Anbieter

Zu den wichtigsten Anbietern von Pulverbettschmelzsystemen gehören:

Anbieter	Schlüsseltechnologie
EOS	DMLS (Direktes Metall-Laser-Sintern)
3D-Systeme	DMP (Direkter Metalldruck)
GE-Zusatzstoff	DMLM (Direktes Metall-Laserschmelzen)
Trumpf	TruPrint 3D-Drucker für Metall
Sisma	Laser-Metall-Schmelzsysteme
AddUp	FormUp Metall-3D-Drucker

EOS und 3D-Systeme waren frühe Pioniere auf dem Gebiet des Pulverbettschmelzens und sind auch heute noch führend. GE-Zusatzstoff hat Concept Laser und Arcam EBM erworben, um sowohl Laser- als auch Elektronenstrahltechnologien anzubieten. Trumpf und Sisma bieten auch industrielle SLM-Systeme an. AddUp ist ein Joint Venture zwischen Michelin und Fives, das sich auf die additive Fertigung von Metallen konzentriert.

Es gibt auch viele Anbieter von Materialien für das Pulverbettschweißen, darunter Carpenter, Sandvik, Praxair, LPW Technology und AP&C.

Kostenvergleich

Prozess	Ausstattung Kosten	Materialkosten	Geschwindigkeit
Pulverbettfusion	$100K - $1M+	$100-500/kg	5-100 cm3/h
CNC-Bearbeitung	$50K - $500K	$5-50/kg	50-500 cm3/Std.
Spritzgießen	$100K - $1M+	$2-5/kg	100-1000 cm3/Stunde

Pulverbettsysteme haben hohe Ausrüstungskosten von $100.000 für Industriedrucker bis zu über $1 Million für große Produktionssysteme. Die Materialien reichen von $100-500/kg. Die Produktionsgeschwindigkeiten liegen je nach Technologie zwischen 5 und 100 cm3/Stunde.

Die CNC-Bearbeitung hat niedrigere Ausrüstungskosten, die bei etwa $50.000 beginnen. Die Materialkosten für Metall sind mit $5-50/kg günstiger. Die Geschwindigkeiten liegen zwischen 50 und 500 cm3/Std.

Spritzgießsysteme kosten ebenfalls über $100.000. Aber das Kunststoffmaterial ist mit $2-5/kg sehr billig. Die Geschwindigkeiten betragen 100-1000 cm3/Std.

Das Pulverbettschmelzen ist also nur bei hochwertigen Metallteilen mit geringem Volumen rentabel, bei denen die Leistung die höheren Kosten rechtfertigt.

Pulverbettschweißen vs. Binder Jetting

	Pulverbett Fusion	Binder Jetting
Materialien	Metalle, Polymere, Keramiken	Metalle, Polymere, Keramiken
Dichte	Vollkommen dichte Teile	Poröse Teile, Infiltration erforderlich
Genauigkeit	Mittel, ±0,1% mit Nachbearbeitung	Mittel, ±0,2%
Oberfläche	Mäßig, erfordert Nachbearbeitung	Schöne, geschichtete Textur bleibt
Geschwindigkeit	Langsam, abhängig von der Energiequelle	Schnell, unabhängig von der Energiequelle
Anwendungen	Endverbrauchte Metallteile	Werkzeugbau, Gussmodelle, Prototypen

• Beim Pulverbettschmelzen können völlig dichte Teile hergestellt werden, während Teile aus dem Binderstrahlverfahren porös sind und infiltriert werden müssen.
• Die Genauigkeit des Bindemittelstrahls ist mäßig, während beim Pulverbettschmelzen mit Nachbearbeitung höhere Genauigkeiten erreicht werden können.
• Die Oberfläche des Pulverbettschmelzens muss nachbearbeitet werden, während das Binderstrahlen eine schichtweise, strukturierte Oberfläche ergibt.
• Die Aufbaugeschwindigkeit des Bindemittelstrahls ist viel höher als bei Pulverbettverfahren, die durch die Energiequelle begrenzt sind.
• Das Pulverbett wird eher für Endverbrauchsteile verwendet, während das Binderstrahlverfahren besser für Werkzeuge, Gussteile und Konzeptmodelle geeignet ist.

Pulverbettfusion vs. gerichtete Energieabscheidung

	Pulverbett Fusion	DED
Materialien	Vor allem Metalle	Metalle, Polymere
Geometrie	Komplexität ermöglicht	Mittlere Komplexität
Genauigkeit	Mittel bis hoch	Mittel
Oberfläche	Mäßig, erfordert Nachbearbeitung	Grob, mehr Feinarbeit
Skalierbarkeit	Kleine bis mittlere Teile	Mittlere bis große Teile
Ablagerungsrate	Niedrig, abhängig von der Scan-Geschwindigkeit	Hoch, erhöht mit größeren Düsen

• Das Pulverbettschmelzen wird meist bei Metallen eingesetzt, während beim DED sowohl Metalle als auch Polymere verwendet werden können.
• Das Pulverbettschmelzen ermöglicht eine höhere Komplexität als das DED, das einigen geometrischen Beschränkungen unterliegt.
• Die Genauigkeit ist beim Pulverbettschweißen höher. Die DED-Genauigkeit ist mittel.
• DED erzeugt raue Oberflächen, die aufgrund von Additivperlen mehr Nachbearbeitung erfordern.
• Beim Pulverbettschmelzen werden kleinere Teile hergestellt, während beim DED mittlere bis große endkonturnahe Formen gefertigt werden.
• Das DED-Verfahren weist aufgrund des geblasenen Pulvers wesentlich höhere Abscheideraten auf.

Beim Pulverbettschmelzen werden also im Allgemeinen kleinere, komplexe Geometrien mit mäßiger Geschwindigkeit hergestellt. Beim DED werden größere, einfache Formen viel schneller, aber mit mehr Nacharbeit hergestellt.

Die Zukunft der Pulverbettfusion

Einige Bereiche der zukünftigen Entwicklung für das Pulverbettschmelzen sind:

• Größere Bauvolumen bis zu mehreren Kubikmetern
• Schnellere Scanning-Methoden zur Erhöhung der Baugeschwindigkeit
• Expandierende Materialien wie Hochtemperaturlegierungen, MMCs, Polymere
• Hybride Fertigung durch Integration von Pulverbettschmelzen und CNC
• Automatisierte Entrümpelung und Nachbearbeitung
• Erweiterte Überwachung und Steuerung in Echtzeit
• Strengere Qualifikations- und Zertifizierungsverfahren

Größere Bauplattformen ermöglichen größere Teile oder einen höheren Produktionsdurchsatz. Neue, schnellere Scantechnologien können die Baugeschwindigkeit drastisch erhöhen. Die Materialoptionen werden sich weiter ausweiten, insbesondere im Bereich der Hochleistungslegierungen.