3D-Druck Titan-Dienstleistungen - EBM

Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) treibt das Wachstum der additiven Fertigung voran, da es die Möglichkeit bietet, präzise und hochfeste Titanteile effizient herzustellen.

Elektronenstrahlschmelzen für kundenspezifische Titanteile

Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) gehört zur Familie der Pulverbettschmelzverfahren. Im Gegensatz zum direkten Metall-Lasersintern (DMLS) wird hier ein Elektronenstrahl verwendet, um Titanpulver zu schmelzen und das gewünschte Bauteil Schicht für Schicht aufzubauen. Wstitanium investierte 3 in eine 2018D-Druckmaschine zum Elektronenstrahlschmelzen und begann, diesen Service anzubieten. Die EBM-Technologie ermöglicht die Herstellung von Titanteilen mit komplexen und hochfesten Strukturen. Wie der Name schon sagt, liegt der Hauptunterschied zwischen dem Elektronenstrahlschmelzen und dem direkten Metall-Lasersintern in der verwendeten Wärmequelle. Die EBM-Technologie nutzt einen von einer Elektronenkanone erzeugten Elektronenstrahl. Diese entzieht einem Wolframfilament unter Vakuum Elektronen und projiziert sie beschleunigt auf die Metallpulverschicht auf der Bauplatte des 3D-Druckers. Diese Elektronen können das Pulver dann selektiv schmelzen und so das Bauteil erzeugen. Im Vergleich zum Laser-Pulverbettschmelzen ist EBM ein energieintensiveres additives Fertigungsverfahren, das die Produktivität steigern und die Auswirkungen thermischer Spannungen beim Metall-3D-Druck besser kontrollieren kann.

Wie funktioniert Elektronenstrahlschmelzen?

Alles beginnt mit der 3D-Modellierung des zu fertigenden Titanteils. Sie können es manuell mit CAD-Software modellieren, durch 3D-Scannen oder Herunterladen eines Modells Ihrer Wahl erstellen. Das 3D-Modell wird anschließend an die Slicing-Software gesendet, die es entsprechend der aufgetragenen Materialschichten in Schichten zerlegt. Der Slicer leitet diese Informationen direkt an den 3D-Drucker weiter, der dann mit der Herstellung beginnen kann. Titanpulver wird in einen Tank im Inneren der Maschine gefüllt. Es wird in dünnen Schichten aufgetragen, vorgewärmt und anschließend durch den Elektronenstrahl geschmolzen. Dieser Schritt sorgt insbesondere für eine bessere Unterstützung der überhängenden Bereiche des 3D-Druckteils.

Schritt 1: Die Bauplattform wird gereinigt und frei von Verunreinigungen gehalten. Anschließend wird eine dünne Schicht Titanpulver gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Der Elektronenstrahl wird aktiviert und erhitzt die Bauplattform auf eine hohe Temperatur. Titan benötigt beispielsweise 600–700 °C.

Schritt 2Beim schichtweisen Pulverschmelzen wird eine neue Pulverschicht aufgetragen, nachdem die vorherige geschmolzen ist. Der Elektronenstrahl schmilzt das Pulver selektiv entsprechend dem digitalen Modell und gewährleistet so eine präzise Schicht-für-Schicht-Konstruktion. Das Pulver schmilzt nur dort, wo es für die Geometrie des Endteils benötigt wird.

Schritt 3: Elektromagnetische Linsen und Ablenkspulen steuern präzise die Position und den Fokus des Elektronenstrahls, um ein präzises Schmelzen zu gewährleisten.

Schritt 4: Die Schritte des Verteilens, Erhitzens und Verschmelzens werden wiederholt, bis das Teil geformt ist. Das fertige Bauteil sieht aus wie ein halbfester Block oder Pulverkuchen. Der Block enthält das gesamte vorgewärmte Pulver, unabhängig davon, ob es geschmolzen ist oder nicht. Das Teil wird entnommen und entpulvert.

Schritt 5: Bei der Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle wird der Schmelzprozess mithilfe von Sensoren und Kameras in Echtzeit überwacht, während das System die Bauparameter verfolgt und den Prozess anpasst, um ein qualitativ hochwertiges Ergebnis sicherzustellen.

Finishing-Services

Nach Nach Abschluss des Herstellungsprozesses entnimmt der Mechaniker das Titanteil aus der Maschine und sprüht das ungeschmolzene Pulver mit einer Druckluftpistole oder einem Pinsel ab. Anschließend können die Druckstützen entfernt und das Teil von der Druckplattform getrennt werden. Nach dem Druckvorgang können die Bearbeitung von Kontaktflächen mit anderen Teilen, Polieren usw. erfolgen. In manchen Fällen kann es erforderlich sein, das Teil mehrere Stunden lang in einem Ofen zu erhitzen, um die während des Herstellungsprozesses entstandenen Spannungen abzubauen.

Hinweis dass die gesamte Fertigung unter Vakuum erfolgen muss, damit der Elektronenstrahl korrekt funktioniert. Dies verhindert auch, dass das Pulver beim Erhitzen oxidiert. Am Ende des Produktionsprozesses kann ein großer Teil des ungeschmolzenen Pulvers fast direkt wiederverwendet werden. Das Interesse daran ist für Hersteller, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, leicht verständlich, da hier üblicherweise nur 20 % des eingekauften Materials tatsächlich zur Herstellung des Endteils verwendet werden und der Rest durch CNC-Bearbeitung entfernt wird.

Von EBM zugelassene Metallwerkstoffe

Da EBM auf dem Prinzip elektrischer Ladungen basiert, muss das verwendete Material elektrisch leitfähig sein. Besitzt das Material keine leitenden Eigenschaften, findet keine Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Pulver statt. Daher ist die Herstellung von Polymer- oder Keramikteilen mit Elektronenstrahlen technisch unmöglich; nur Metalle kommen infrage. Zu den gängigen Materialien gehören:

Vorteile von EBM

Mit EBM hergestellte Titanteile verfügen über hervorragende physikalische Eigenschaften und sind fest und dicht. Ein wesentlicher Vorteil der Elektronenstrahltechnologie ist die Druckgeschwindigkeit – sie kann Pulver an mehreren Stellen gleichzeitig erhitzen und drucken. Der hochenergetische Elektronenstrahl erwärmt das Pulver zudem vor dem Schmelzen, um den Prozess zu beschleunigen. Verunreinigungen werden während des Hochintensitäts-Elektronenstrahlschmelzprozesses eliminiert.

Hohe Teiledichte
Druckt schneller als DMLS
Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
Minimiert den Bedarf an Wärmebehandlung
Unbenutztes Pulver ist zu 95–98 % recycelbar
Benötigt weniger Stützen als DMLS

Nachteile von EBM

EBM-Titanteile haben eine raue Oberfläche, erfordern möglicherweise eine zusätzliche Oberflächenbearbeitung und sind nicht so präzise wie andere 3D-Drucktechnologien.

Anwendung von EBM-Titanteilen

Da EBM-3D-Drucker und -Pulver teuer sind, wurde diese Technologie bisher nicht für die Großserienproduktion eingesetzt. Typischerweise wird sie zur Herstellung kleiner Serien von Teilen mit komplexen Strukturen eingesetzt. Wie man es von einer Technologie zur Herstellung hochfester Titanteile erwarten würde, wird sie in vielen Bereichen eingesetzt. EBM findet Anwendung in Bereichen wie Medizin, Luftfahrt und Motorsport.

Luft- und Raumfahrt

Durch Elektronenstrahlschmelzen (EBM) lassen sich hochfeste, leichte Turbinenschaufeln mit komplexen Kühlkanälen für verbesserte Leistung und Effizienz herstellen. Auch Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt profitieren von EBM, da es komplexe Geometrien erzeugt und hohe mechanische Festigkeit bietet, wodurch Leistung und Haltbarkeit von Flugzeugen verbessert werden. Das Erfolgsgeheimnis der Schaufeln liegt in der Fähigkeit von EBM, heiße und rissanfällige Materialien wie Titanaluminid (TiAl) zu verarbeiten, das 50 % leichter ist als die Nickellegierungen, aus denen Schaufeln üblicherweise hergestellt werden. Eine vollständig 3D-gedruckte Turbine kann das Gewicht eines Triebwerks um bis zu 20 % reduzieren – ein enormer Fortschritt für die Luftfahrtindustrie. Darüber hinaus kann der leistungsstarke Elektronenstrahl dickere Schichten schmelzen als sein größter Konkurrent, das Laser-Pulverbettschmelzen, was ihn zu einer schnelleren und effizienteren Option für diese Anwendung macht. Zu den mit diesen 3D-gedruckten Schaufeln ausgestatteten Triebwerken gehören die Modelle LEAP, GEnx, GE90 und GE90, die Passagierflugzeuge wie die Boeing 777, den Dreamliner und die 747-8 antreiben.

Medizintechnik

Da medizinische Geräte wie orthopädische Implantate immer komplexer werden, bietet EBM mehr Gestaltungsfreiheit und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der Medizinbranche an überlegene mechanische Eigenschaften. EBM entwickelt maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Patientenanwendungen und sorgt so für bessere Passform und Integration. Die Präzisionsfertigung von EBM ermöglicht zudem die Herstellung von langlebigem und biokompatiblem Zahnersatz, der den Patientenkomfort und die Langlebigkeit zahnmedizinischer Anwendungen verbessert. EBM kann auch andere große orthopädische Implantate wie Femur-Kniekomponenten, Tibiaschalen, Knie- und Wirbelsäulenkäfige sowie verschiedene Wirbelsäulenimplantate herstellen.

Automobilindustrie

In der Automobilindustrie wird Elektronenstrahlschmelzen (EBM) zur Herstellung von Leichtbauteilen wie Motorteilen und Strukturelementen eingesetzt, wodurch Kraftstoffeffizienz und Fahrzeugleistung verbessert werden. EBM unterstützt Automobilhersteller zudem bei der Prototypenentwicklung und Produktion kundenspezifischer Teile, beschleunigt Designiterationen und verkürzt die Markteinführungszeit. Anwendungsbeispiele sind Spulen zur Wärmebehandlung von Kurbelwellen, Naben und Spindeln, Antriebssträngen, Großwälzlagern und mehr.

Industrielle Fertigung

Einer der Vorteile von EBM gegenüber LPBF ist die Fähigkeit, hochreine Metallteile ohne Porosität oder Oxidation herzustellen. GH Induction, Hersteller von Spezialgeräten und Maschinen für die industrielle Induktionserwärmung, nutzt dies, um Kupferspulen mit einer Reinheit von 99.99 % herzustellen. Diese Spulen der Produktlinie 3D Inductor haben eine um 400 % längere Lebensdauer als herkömmliche Spulen und profitieren gleichzeitig von der Designfreiheit des 3D-Drucks.