Elektronenstrahlschmelzen

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Arcam Q10 Anlage
Industrielle EBM Anlage des Herstellers "Arcam AB"

(Selektives) Elektronenstrahlschmelzen[1] ((Selective) Electron Beam Melting, (S)EBM) oder auch Elektronenstrahlsintern[2] ist ein additives Fertigungsverfahren zur schichtweisen Herstellung von metallischen Bauteilen aus dem Pulverbett. Das Verfahren wird zum pulverbettbasierten Schmelzen gezählt und ist eng mit dem selektiven Laserstrahlschmelzen verwandt. Wegen der Gemeinsamkeit der Energiequelle ist das Elektronenstrahlschmelzen technologisch außerdem noch mit den anderen Verfahren der Elektronenstrahl-Materialbearbeitung verwandt.

Das Elektronenstrahlschmelzen wurde 1993 von Ralf Larsson in Schweden zum Patent angemeldet. Nach Erteilung des Patents 1997, gründete er die Firma Arcam AB, um das Verfahren kommerziell zu vertreiben.[3] Arcam AB ist größter Anbieter von EBM-Anlagen und Inhaber der Marke EBM.[4]

Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelschritte des EBM-Fertigungsprozesses

Mit Hilfe eines Elektronenstrahls als Energiequelle wird ein Metallpulver gezielt aufgeschmolzen, wodurch kompakte Bauteile mit nahezu beliebiger Geometrie direkt aus den Konstruktionsdaten hergestellt werden können.[5]

Basieren auf einem digitalen 3-D-Modell wird hierzu abwechselnd eine Lage Metallpulver mit einem Rakel vollflächig aufgebracht und mittels Elektronenstrahl zunächst großflächig vorgeheizt und anschließend lokal geschmolzen. Nach dem Erkalten erstarrt die Schmelze zu einer festen Schicht Metall mit annähernd 100-prozentiger Gefügedichte. Anschließend wird der Arbeitstisch um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Lage Pulver auf die vorherige aufgebracht. Diese Schritte werden vielfach wiederholt. Nach dem eigentlichen Fertigungsprozess wird das lose Pulver mit Druckluft vom eigentlichen Bauteil entfernt. Auf diese Weise wird das gewünschte Bauteil[5] schichtweise generiert. Um zu verhindern, dass eine Reaktion mit umgebenden Gasen stattfindet und dadurch der Werkstoff seine Materialeigenschaften verändert findet der Prozess im Vakuum statt.[6]

Anlagentechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Herzstück der Anlage bildet die Vakuumkammer zusammen mit der Elektronenstrahlkanone. In der Vakuumkammer befinden sich die Pulverreservoirs, das Beschichtersystem für den Pulverauftrag und der Arbeitstisch auf den das Bauteil aufgebaut wird. Auf der Vakuumkammer ist die Elektronenstrahlkanone über dem Arbeitstisch installiert. Darüber hinaus gibt es noch weitere wesentliche Komponenten, wie den Hochspannungserzeuger, der über ein Hochspannungskabel die Elektronenstrahlkanone elektrisch versorgt, mehrere Vakuumpumpen, die die Kammer und die Kanone vakuumieren, die Hubeinheit, die den Arbeitstisch hoch und runter fährt, die Maschinensteuerung sowie die Bedieneinheit für den Anlagenbediener.[7][8][9]

Elektronenstrahlkanone[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Funktionsweise und Komponenten der Elektronenstrahlkanone
EBM-Anlage ohne Verkleidung der Elektronenstrahlkanone.

Mit der Elektronenstrahlkanone wird der Elektronenstrahl erzeugt, beschleunigt, geformt und abgelenkt.[7][10][11][12] Das Funktionsprinzip ist dabei vergleichbar mit einer Braunschen Röhre, wie sie in Röhrenfernsehern und -monitoren verwendet wurde.[10] Für eine korrekte Erzeugung und Lenkung des Elektronenstrahls, muss auch die Elektronenstrahlkanone vollständig unter Hochvakuum gehalten werden.[7]

Die Elektronenstrahlkanone lässt sich nach ihren Funktionen in zwei unterschiedliche Abschnitte unterteilen. Im oberen Abschnitt wird der eigentliche Elektronenstrahl erzeugt und beschleunigt, im unteren Abschnitt wird dieser dann entsprechend der Anforderungen geformt und abgelenkt.[7] Die Beschleunigung wird dabei durch elektrostatische Felder erzielt, wohin gegen für die Strahlformung elektromagnetische Felder eingesetzt werden.[12] Andernfalls würden die Elektronen durch Kollisionen mit Gasmolekülen in der Umgebung zu viel Energie verlieren und es ließe sich kein Elektronenstrahl bildet. Des Weiteren wird die Bildung von Lichtbögen und elektrischen Überschlägen zwischen Kathode, Steuerelektrode und Anode vermieden.[7]

Strahlerzeugung und Beschleunigung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Strahlerzeugung beginnt damit, dass an der Kathode eine Hochspannung angelegt wird und die Kathode erhitzt wird. Dadurch werden Elektronen emittiert, die sich an der Oberfläche der Kathode ansammeln und eine Elektronenwolke bilden.

Gegenüber befindet sich die Anode, welche den elektrostatischen Gegenpol bildet und die Elektronen anzieht, das heißt beschleunigt. Ähnlich einer Lochblende in der Optik, hat die Anode in der Mitte eine Bohrung, durch sich der Elektronenstrahl ausbreitet.

Zwischen Kathode und Anode befindet sich, gleich-polig zur Kathode, die Steuerelektrode und dazu verwendet wird, die Leistung des Elektronenstrahls steuern. Dies geschieht, indem sich mit der an der Steuerelektrode anliegenden Spannung (Wehneltspannung) die Menge der Elektronen steuern lässt, die die Kathode verlassen. Die Kombination aus Kathode, Steuerelektrode und Anode wird als Triodensystem bezeichnet. Als alternatives System ist noch das Diodensystem zu nennen, welches ähnlich aufgebaut ist, jedoch keine Steuerelektrode besitzt.[7][12] Die Strahlleistung wird hier durch die an der Kathode anliegenden Spannung gesteuert, was jedoch deutlich ungenauer funktioniert, als mit einer Steuerelektrode, weshalb sich überwiegend das Triodensystem durch gesetzt hat.[12]

In diesem Abschnitt wird der Elektronenstrahl ausschließlich durch elektrostatische Kräfte erzeugt und beschleunigt. Diese werden durch Potentialdifferenzen zwischen Kathode, Steuerelektrode und Anode erzeugt.[7] Im folgenden Abschnitt der Elektronenstrahlkanone wird der Strahl nun ausschließlich durch elektromagnetische Kräfte manipuliert. Es werden sich dabei, gemäß der Lenzschen Gesetze die dann wirkende Lorentzkraft zunutze gemacht, um die Elektronen entsprechend abzulenken. Es gilt hier die Drei-Finger-Regel.[12]

Strahlformung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Direkt hinter der Anode befindet sich die Zentrierspule, die zunächst den Elektronenstrahl bündelt und davon abhält zu weit zu streuen.

Als nächstes folgt der elektromagnetische Stigmator, welcher elektrische und magnetische Störungen kompensiert, die zu einer elliptische Verzerrung des Elektronenstrahls führen. Der Stigmator stellt sicher, dass ein kreisrunder Strahlquerschnitt gebildet wird und sich die Fokusposition immer im gleichen Abstand zur Arbeitsebene befindet.

Fokussierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Fokussierung des Strahls erfolgt durch eine nachfolgende Ringspule, vergleichbar mit einer Sammellinse in der Optik, bündelt diese den Strahl auf einen Fokuspunkt und erhöht damit gleichzeitig die Energiedichte in der Querschnittsfläche des Elektronenstrahls. Es lässt sich dadurch zusätzlich die Energie mit der auf der Arbeitsebene gearbeitet wird regeln. Die Geschwindigkeit der Elektronen bleibt davon unverändert.

Fokussierung des Elektronenstrahls mittes Ringspule

Ablenkung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zuletzt passiert der Elektronenstrahl zwei senkrecht zu einander angeordnete Spulenpaare, welche den Strahl in X- und Y-Richtung ablenken können. Hiermit werden die Verfahrbewegungen des Strahls auf der Arbeitsebene in beliebiger Richtung gesteuert und festgelegt an welchen Stellen das Pulvermaterial aufgeschmolzen wird.[12][7]

Bewegung des Elektronenstrahls mittels Elektromagnetpaar

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Verglichen mit traditionellen Fertigungsverfahren wie Gießen, Sintern oder Schmieden ergeben sich mehrere Vorteile. Dazu zählen:

  • Große geometrische Gestaltungsfreiheit[5]
  • Verkürzung der Zeitspanne zwischen Entwicklung und Markteinführung
  • Höhere Werkstoffeffizienz
  • Keine Kosten für bauteilspezifische Werkzeuge, Formen, Kerne oder dergleichen
  • Wirtschaftliche Produktion von Prototypen und/oder Kleinserien

Gegenüber den traditionellen Fertigungsverfahren ergeben sich unter anderem folgende Nachteile:

  • Relativ hohe Anfangsinvestitionen
  • Relativ langsame Fertigung von Bauteilen
  • Das verhältnismäßig geringe Bauvolumen des Gerätes begrenzt die maximal möglichen Abmessungen des Bauteils[13]
  • Keine wirtschaftliche Produktion von Großserien

Im Gegensatz zu anderen additiven Fertigungsverfahren, wie dem selektiven Laserstrahlschmelzen, erzielt der EBM-Prozesss eine Gefügedichte von annähernd 100 %. Daraus resultieren Bauteile mit Materialeigenschaften vergleichbar mit den klassischen Fertigungsverfahren.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Verein Deutscher Ingenieure e.V. (Hrsg.): VDI 3405, Additive Fertigungsverfahren Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibungen. Beuth Verlag GmbH, Dezember 2014.
  2. Hagemann, Florian., Zäh, Michael, 1963-: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien : Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren. Hanser, München 2006, ISBN 3-446-22854-3 ('OCLC=879684312' [abgerufen am 23. Februar 2019]).
  3. Gebhardt, Andreas.: Generative Fertigungsverfahren : rapid prototyping - rapid tooling - rapid manufacturing. 3. Aufl. Hanser, München 2007, ISBN 978-3-446-22666-1 (OCLC=213391925 [abgerufen am 16. Oktober 2018]).
  4. Wertpapierverkaufsprospekt der SLM Solutions Group AG, 25. April 2014, Seite 146.
  5. a b c Wohlers Associates, Inc.: Wohlers report 2006 : rapid prototyping & manufacturing state of the industry, annual worldwide progress report. Wohlers Associates, Fort Collins, Colo. 2006, ISBN 0-9754429-2-9 (OCLC=77546926 [abgerufen am 23. Oktober 2018]).
  6. Keese, Keese, Keese, Keese, Keese: Elektronenstrahlschweißen. Abgerufen am 5. März 2019.
  7. a b c d e f g h Lutzmann, Stefan.: Beitrag zur Prozessbeherrschung des Elektronenstrahlschmelzens. Utz, Herbert, München 2011, ISBN 978-3-8316-4070-6 (OCLC=724963987 [abgerufen am 23. Februar 2019]).
  8. Stelzer, Ralph, Technische Universität Dresden, Entwerfen Entwickeln Erleben (EEE) 2016.06.30-07.01 Dresden: Entwerfen Entwickeln Erleben 2016 - Beiträge zur virtuellen Produktentwicklung und Konstruktionstechnik Dresden, 30. Juni - 1. Juli 2016. Dresden, ISBN 978-3-95908-062-0 (OCLC=957234488 [abgerufen am 23. Oktober 2018]).
  9. Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh, Dipl.-Ing. Markus Kahnert: Den Elektronenstrahl für das selektive Sintern von metallischen Pulvern nutzen. paper-iwb, Augsburg.
  10. a b Elektronenstrahlschmelzen - Electron Beam Melting (EBM Verfahren). In: 3D Drucker und mehr | threedom. Abgerufen am 5. März 2019 (deutsch).
  11. Elektronenstrahl-Schmelzen – Technologie. In: 3Dnatives. 11. Juli 2016, abgerufen am 5. März 2019 (deutsch).
  12. a b c d e f Kahnert, Markus.: Scanstrategien zur verbesserten Prozessführung beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Utz, München 2015, ISBN 3-8316-4416-0 (oclc=911245921 [abgerufen am 5. März 2019]).
  13. Elektronenstrahlschmelzen – Electron Beam Melting (EBM Verfahren). Abgerufen am 9. Februar 2019.