Additive Fertigung

PBF-EB - die Lösung für Ihre Anwendungen

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (PBF-EB)

Einführung

© Fraunhofer IFAM
Design-Demonstrator für EBM aus Ti-6Al-4V (CAD-Vorlage: Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Fertigungstechnik)

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (engl. „Selective Electron Beam Melting“ – PBF-EB) ist ein pulverbasierter Prozess für die generative Fertigung dreidimensionaler Bauteile. Das Pulverbett wird schichtweise selektiv durch den Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Der Prozess findet unter Hochvakuum statt.

Vorteile im Vergleich zu konventioneller Fertigung (bspw. Gießen / Schmieden / Spanen):

Keine zusätzlichen Werkzeuge oder Formen notwendig

Designfreiheit – „design for function“

Hoher Individualisierungsgrad

Verringerte Zeiten für Design und Fertigung → kürzere Vorlaufzeit

Verarbeitung hochschmelzender und / oder hochreaktiver Werkstoffe (bspw. Titanlegierungen, Nickelbasiswerkstoffe und Refraktärmetalle), die konventionell nur schwer oder gar nicht handhabbar sind

Verbesserte Rohstoffeffizienz

Eigenschaften	SEBM	LBM
Strahlquelle	Elektronenstrahl	Laser
Pulver	grob (45 - 105...150 µm)	fein (10 - 45 µm)
Atmosphäre	Vakuum	Schutzgas
Strahlablenkung	Ablenkspulen	Galvanometer
Vorheizen	Elektronenstrahl (Ti-6Al-4V: 700 °C)	in Entwicklung (Heizung Startplatte: 250 - 500 °C)
Eigenspannung / Aufwand Stützstrukturen	niedrig	hoch
Oberflächenqualität	sehr rau (Ra ~ 40 µm)	rau (Ra ~ 20 µm)
Interne Strukturen	eingeschränkt	gut
Baurate (Ti-6Al-4V)	~ 80 cm³/h	~ 30 cm³/h

Literatur

S. Vock, B. Klöden, A. Kirchner, T. Weißgärber, B. Kieback
Powders for Powder Bed Fusion: a review
Progress in Additive Manufacturing, 2019, 1-15

Unsere Publikationen zum Thema Selektives Elektronenstrahlschmelzen

Presseinformation

Neue Möglichkeiten des Additive Manufacturing erschlossen: Fraunhofer IFAM Dresden demonstriert Fertigung von Kupferbauteilen

Am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden ist es gelungen, mittels Selektivem Elektronenstrahlschmelzen (Selective Electron Beam Melting – SEBM) Kupferbauteile zu fertigen, die mit diesem Verfahren bisher so noch nicht gezeigt wurden.

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Projekt SUNFLOWER

Sustainable Near-net-shape Fabrication of Low Environmental impact Receiver materials

Projekt Inno-EB

Innovative Anlagentechnik für nachhaltige Additive Fertigung mittels Elektronenstrahlschmelzen

F&E-Kompetenzen

F&E-Komeptenz EBM — © Fraunhofer IFAM Dresden

Prozess

Übersicht Werkstoffe PBF-EB

Ti	Ni	Fe	Sonstige
Ti6Al4V	IN 718	316L	Cu
TiAl	γ‘	1.4306	Refraktär
		1.4462	Super INVAR
		CP2M
		Ferro-Titanit
		1.7227
		Rapidur
		FeCrV

In fett: Werkstoffe des Anlagenherstellers

Ausstattung

A2X	Q20+
3 kW, Wolframfilament	3kW, LaB₆ Kathode
Bauraum 200² x 380 mm³	Bauraum Ø 300 x 380 mm³
Für Hochtemperaturwerkstoffe	Automatische Strahlkalibrierung
	Prozessüberwachung (LayerQam)

Kundennutzen

Marktstudien belegen die Bedeutung der additive Fertigung als ein Innovationsindikator [REF]. In diesem Umfeld hat insbesondere das Selektive Elektronenstrahlschmelzen ein sehr hohes Potential für die Fertigung formkomplexer Bauteile. Durch die Kombination der SEBM-Technologie mit der vorhandenen pulvermetallurgischen Kompetenz kann das Fraunhofer IFAM Dresden als starker und verlässlicher F&E-Partner in diesen Feldern auftreten.

Ihre Vorteile:

„Schnelle“ und „breite“ Werkstoffentwicklung
Branchenübergreifend F&E-Kompetenz
Langjährige Erfahrung auf dem Gebiet des PBF-EBdurch erfolgreich abgeschlossene öffentlich geförderte und Industrieprojekte
Prozessspezifisches Konstruktions-Knowhow (bspw. in VDI-Richtlinie)
Potentialbewertung Ihrer Bauteile für die additive Fertigung
Unabhängige Beratung zur Pulverspezifikation und Beschaffung inklusive Pulveranalytik

Main Gear Bracket

Sicherheitskritisches Bauteil in der Luftfahrt
Gewichtseinsparung durch Topologieoptimierung: ca. 40 %
Bauteil ist ermüdungsbelastet → max. Rauhigkeit < 3 µm → Endbearbeitung des gesamten Bauteils (CNC-Fräsen + Elektropolieren)
Demonstratoren wurden erfolgrich einem Dauertest unterzogen
Das Bauteil ist aufgrund seines Volumens und der geometrischen Komplexität „EBM only“

Schneidkrone

verschleißbelastetes Bauteil für die Zerkleinerungsindustrie (z. B. Schredder-Maschine)
konventionell sehr aufwendig herzustellen, da die Bearbeitung sehr zeit- und kostenintensiv ist
Potentiale mit additiver Fertigung: Einsparung Kosten für Bearbeitung, Erhöhung Standzeit durch Vergrößerung der Bauteilhöhe, Kostenoptimierung durch hybride Fertigung
mittels PBF-EB wurde der Werkstoff erfolgreich verarbeitet: Dichte > 99 %, Rissfreiheit erreicht
Härte (as built / nach Wärmebehandlung): ca. 51 HRC / bis zu 65 HRC
Demonstratoren wurden monolithisch als auch in Hybridbauweise (auf Startplatte aus 1.2343) gefertigt; ein Teil davon wird unter Realbedingungen getestet

Werkstoff FrCrV10 ist in dieser Zusammensetzung „EBM only“, da der hohe Hartstoffgehalt und die Rissanfälligkeit die Verarbeitung bei erhöhter Temperatur (ca. 900°C) erfordern

Download

Informationsblatt "Generative Fertigung - Elektronenstrahlschmelzen"

Broschüre "Additive Manufacturing"