Elektronenstrahl-additive Fertigung
Elektronenstrahladditivherstellung oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine Art von additivem Herstellen oder 3D-Drucken für Metallteile. Das Rohmaterial (Metallpulver oder Draht) wird unter Vakuum gesetzt und durch Erhitzen mit einem Elektronenstrahl zusammengeschmolzen. Diese Technik unterscheidet sich vom selektiven Lasersintern, da die Rohmaterialschmelzen vollständig geschmolzen sind.
Mittels eines Elektronenstrahls als Energiequelle wird gezielt ein Metallpulver aufgeschmolzen, wodurch aus den Konstruktionsdaten kompakte Bauteile nahezu beliebiger Geometrie direkt hergestellt werden können. Zu diesem Zweck wird, ähnlich wie beim selektiven Laserschmelzen, abwechselnd eine Pulverschicht mit einer Rakel auf die vorherige aufgetragen und selektiv durch Elektronenstrahl geschmolzen. Auf diese Weise wird die gewünschte Komponente in Schichten erzeugt.
Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) wird der Schmelzstrahl mechanisch gesteuert, während beim Elektronenstrahlschmelzen der Schmelzstrahl im Vakuum über ein Magnetfeld (und damit ohne Trägheit) abgelenkt wird. Dadurch sind mit dem EBM im Vergleich zum SLM theoretisch höhere Prozessgeschwindigkeiten möglich.
Im Vergleich zu traditionellen Fertigungsverfahren wie Gießen, Sintern oder Schmieden ergeben sich mehrere Vorteile. Diese beinhalten:
Große geometrische Gestaltungsfreiheit
Verkürzung der Zeit zwischen Entwicklung und Markteinführung
Höhere Materialeffizienz
Keine Kosten für komponentenspezifische Werkzeuge, Formen, Kerne oder ähnliches
Wirtschaftliche Produktion von Prototypen und / oder Kleinserien
Gegenüber den herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren ergeben sich unter anderem folgende Nachteile:
Relativ hohe Anfangsinvestition
Relativ langsame Produktion von Komponenten
Keine wirtschaftliche Produktion von Großserien
Das relativ kleine Volumen des Geräts begrenzt die maximal möglichen Abmessungen des Bauteils
Der EBM-Prozess erzeugt eine höhere Dichte von Materialdefekten, die zB durch B. zu geringerer Materialfestigkeit führen können
Größter Lieferant von EBM-Systemen und Eigentümer der Marke EBM ist die schwedische Firma Arcam AB.
Technologie
Dieser Prozess, der direkt vom reinen Metall in den Pulverzustand übergeht, ermöglicht die Herstellung fertiger und hohlraumfreier Teile (das letzte charakteristische Merkmal dieser Technologie bis mindestens 2011, als die SLM-Modelle (metallbasierte 3D-Drucker) “ Selective Laser Melting „konnte noch keine so hohe Leistungsdichte erreichen, nun erreicht die SLM-Technologie eine Leistung, die dem EBM-Prozess nahe kommt.“ Bei dem Herstellungsprozess werden die Pulverschichten des zu schmelzenden Materials unter Vakuum gesetzt, ausgehend von Dicken von etwa 0,1 mm und mit einer Gießkapazität von bis zu 80 cm 3 / h. Das Arbeiten unter Vakuum und somit in Abwesenheit von Luft ermöglicht auch die Arbeit an Materialien, die ansonsten sofort mit Sauerstoff reagieren würden, wobei unerwünschte Verbindungen erzeugt werden.
Die Maschine, die Daten aus einem 3D-CAD-Modell liest, ist in 4 Sektoren unterteilt:
Befehl (PC)
Leistung (Hochspannung)
Cannon (Kathodenröhre), wo der Elektronenstrahl erzeugt wird
Kammer (bei konstantem Druck gehalten (3 * 10 -5))
Der Schmelzprozess findet bei Temperaturen typischerweise zwischen 700 und 1000 ° C statt und ermöglicht es, Teile zu erhalten, die im Wesentlichen frei von Restspannungen sind und daher keine Nachwärmebehandlungen nach der Herstellung erfordern.
Die EBM-Technik wurde von der schwedischen Firma Arcam entwickelt.
Metallpulver-basierte Systeme
Metallpulver können unter Verwendung eines Elektronenstrahls als Wärmequelle zu einer festen Masse verfestigt werden. Teile werden hergestellt, indem Metallpulver Schicht für Schicht mit einem Elektronenstrahl im Hochvakuum geschmolzen wird.
Dieses Pulverbettverfahren erzeugt vollständig dichte Metallteile direkt aus Metallpulver mit Eigenschaften des Zielmaterials. Die EBM-Maschine liest Daten aus einem 3D-CAD-Modell und legt aufeinanderfolgende Schichten aus pulverförmigem Material ab. Diese Schichten werden unter Verwendung eines computergesteuerten Elektronenstrahls miteinander verschmolzen. Auf diese Weise baut es die Teile auf. Der Prozess findet unter Vakuum statt und eignet sich daher für die Herstellung von Teilen aus reaktiven Materialien mit hoher Affinität zu Sauerstoff, z. B. Titan. Es ist bekannt, dass das Verfahren bei höheren Temperaturen (bis zu 1000 ° C) arbeitet, was zu Unterschieden in der Phasenbildung durch Erstarrung und Festphasenumwandlung führen kann.
Das Pulvereinsatzmaterial ist typischerweise vorlegiert, im Gegensatz zu einer Mischung. Dieser Aspekt ermöglicht die Klassifizierung von EBM mit selektivem Laserschmelzen (SLM), wobei konkurrierende Technologien wie SLS und DMLS eine Wärmebehandlung nach der Herstellung erfordern. Im Vergleich zu SLM und DMLS hat EBM aufgrund seiner höheren Energiedichte und Scanning-Methode eine allgemein höhere Build-Rate.
Forschungsentwicklungen
Kürzliche Arbeiten wurden von ORNL veröffentlicht, die den Einsatz der EBM-Technologie zur Kontrolle lokaler kristallographischer Kornorientierungen in Inconel demonstrieren. Andere bemerkenswerte Entwicklungen haben sich auf die Entwicklung von Prozessparametern zur Herstellung von Teilen aus Legierungen wie Kupfer, Niob, Al 2024, metallischem Vollglas, rostfreiem Stahl und Titanaluminid konzentriert. Derzeit kommerzielle Materialien für EBM umfassen kommerziell reines Titan, Ti-6Al-4V, CoCr, Inconel 718 und Inconel 625.
Metalldraht-basierte Systeme
Ein anderer Ansatz besteht darin, einen Elektronenstrahl zu verwenden, um den Schweißdraht auf eine Oberfläche zu schmelzen, um ein Teil aufzubauen. Dies ist vergleichbar mit dem üblichen 3D-Druckprozess der Schmelzablagerungsmodellierung, jedoch eher mit Metall als mit Kunststoff. Bei diesem Verfahren stellt eine Elektronenstrahlkanone die Energiequelle bereit, die zum Schmelzen von metallischem Ausgangsmaterial verwendet wird, das typischerweise ein Draht ist. Der Elektronenstrahl ist eine hocheffiziente Energiequelle, die sowohl mit Fokusspulen als auch mit Tausenden von Hertz durch elektromagnetische Spulen präzise fokussiert und abgelenkt werden kann. Typische Elektronenstrahlschweißsysteme haben eine hohe Leistungsverfügbarkeit, wobei Systeme mit 30 und 42 Kilowatt am gebräuchlichsten sind. Ein Hauptvorteil der Verwendung von metallischen Bauteilen mit Elektronenstrahlen besteht darin, dass das Verfahren in einer Hochvakuumumgebung von 1 × 10 -4 Torr oder mehr durchgeführt wird, wodurch eine kontaminationsfreie Arbeitszone geschaffen wird, die keine zusätzlichen Inertgase erfordert verwendet mit Laser- und Lichtbogen-basierten Prozessen. Mit EBDM wird Ausgangsmaterial in ein Schmelzbad eingespeist, das durch den Elektronenstrahl erzeugt wird. Durch die Verwendung numerischer Computersteuerungen (CNC) wird das geschmolzene Becken auf einer Substratplatte bewegt, wobei Material hinzugefügt wird, genau dort, wo es benötigt wird, um die endformnahe Form zu erzeugen. Dieser Vorgang wird schichtweise wiederholt, bis die gewünschte 3D-Form erzeugt ist.
Abhängig vom zu fertigenden Teil können die Abscheidungsraten bis zu 3300 cm3 pro Stunde betragen. Bei einer leichten Legierung, wie Titan, bedeutet dies eine Echtzeit-Ablagerungsrate von 40 Pfund (18 kg) pro Stunde. Ein breites Spektrum an technischen Legierungen ist mit dem EBDM-Verfahren kompatibel und in Form von Schweißdrähten aus einer bestehenden Lieferbasis verfügbar. Diese umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, rostfreie Stähle, Kobaltlegierungen, Nickellegierungen, Kupfer-Nickel-Legierungen, Tantal, Titanlegierungen sowie viele andere hochwertige Materialien.
Markt
Mit dieser Technologie werden Titanlegierungen häufig verwendet, was sie zu einer geeigneten Wahl für den Markt für medizinische Implantate macht.
CE-zertifizierte Hüftpfannen werden seit 2007 von den beiden europäischen orthopädischen Implantatherstellern Adler Ortho und Lima Corporate mit EBM in Serie produziert.
Der amerikanische Implantathersteller Exactech hat zudem die FDA-Zulassung für eine mit der EBM-Technologie hergestellte Hüftpfanne erhalten.
Aerospace und andere hoch anspruchsvolle mechanische Anwendungen sind ebenfalls Ziel, siehe Rutherford Raketentriebwerk.
Der EBM-Prozess wurde für die Herstellung von Teilen aus Gamma-Titan-Aluminid entwickelt und wird derzeit von Avio SpA und General Electric Aviation zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus γ-TiAl für Gasturbinen entwickelt.