Das Elektronenstrahlschmelzen bzw. Electron Beam Melting

Das Elektronenstrahlschmelzen oder Electron Beam Melting, wie das Verfahren ebenfalls bezeichnet wird, dient zur Herstellung von Bauteilen aus Metall und gehört zu den Verfahren des immer populärer werdenden 3D-Drucks. Ein Unterschied zum herkömmlichen 3D-Druck besteht darin, dass beim Elektronenstrahlschmelzen das zu verarbeitende Material nicht durch eine erhitzte Düse auf einen Träger aufgebracht wird. Vielmehr wird ein Elektronenstrahl als Energiequelle eingesetzt und ein Metallpulver gezielt aufgeschmolzen. Das Pulver wird Lage für Lage aufgebracht und anschließend mit dem Elektronenstrahl bearbeitet. Auch hier erfolgt also ein schichtweises Generieren des gewünschten Bauteils. Mithilfe der Technologie Elektronenstrahlschmelzen bzw. Electron Beam Melting lassen sich sehr kompakte Bauteile aus beliebigen Konstruktionsdaten herstellen. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen dem effektiven Laserschmelzen (SLM), bei dem der erzeugte Strahl über Spiegel mechanisch abgelenkt wird, und dem Elektronenstrahlschmelzen. Beim Elektronenstrahlschmelzen oder Electron Beam Melting werden keine Spiegel eingesetzt. Der Schmelzstrahl wird über ein Magnetfeld abgelenkt und so gesteuert. Um eine trägheitsfreie Ablenkung des Elektronenstrahls zu ermöglichen, wird jedoch ein Vakuum benötigt. Das Elektronenstrahlschweißen gilt als Alternative zu einigen anderen traditionellen Fertigungsverfahren wie beispielsweise dem Gießen oder dem Sintern.

© sspopov | Shutterstock.com

Das Electron Beam Melting und die Herstellung komplexer Formen

Durch den Einsatz des Elektronenstrahlschmelzens lassen sich auch sehr komplexe Formen und somit spezielle Bauteile herstellen, und das wesentlich besser als bei der Anwendung herkömmlicher Fertigungsverfahren. Gleichzeitig verfügen die auf diese Weise hergestellten Bauteile über gute Eigenschaften, wie man diese auch durch die maschinelle Fertigung erhalten kann. Das Verfahren wird besonders häufig zum Herstellen von kleineren oder mittelgroßen Bauteilen für Prototypen oder Kleinserien eingesetzt. Meist handelt es sich um hochtechnische Bauteile, die durch das Elektronenstrahlschmelzen angefertigt werden.

Der Fertigungsvorgang bei diesem Druckverfahren

Der verwendete Rohstoff liegt in Pulverform vor, das sich zunächst in einem Vorratsbehälter im Inneren der Maschine befindet. Das Metallpulver wird in dünnen Schichten auf eine Plattform aufgetragen. Anschließend wird es an den gewünschten Stellen aufgeschmolzen, und zwar an jenen Stellen, an denen später das eigentliche Objekt aufgebaut werden soll. Danach wird eine neue Schicht aufgetragen und diese wiederum an den gewünschten Stellen geschmolzen. Der Vorgang wiederholt sich so oft, bis das Endprodukt im Pulverbett komplett aufgebaut wurde. Der gesamte Fertigungsprozess findet übrigens in einem Vakuum statt, um eine einwandfreie Ablenkung des Elektronenstrahls zu ermöglichen. Nach der Fertigung wird das Bauteil aus der Maschine entnommen und das überschüssige Metallpulver entfernt. Werden Bauteile in komplexeren Formen hergestellt, so können diese spezielle Stützstrukturen enthalten, die vor allem an Überhängen notwendig sind. Diese Stützstrukturen müssen nach der Herstellung entfernt werden. Gegebenenfalls ist noch eine Oberflächenbearbeitung durch ein Aufpolieren oder ähnliche Maßnahmen erforderlich. Bei manchen Bauteilen kann auch ein anschließendes Härten in einem Ofen erfolgen, um während des Druckvorgangs entstandene Spannungen auszugleichen.

Hochwertige Bauteile und Implantate herstellen

Das Elektronenstrahlschmelzen oder Electron Beam Melting wird auch als additives Fertigungsverfahren bezeichnet. Die Bearbeitung des Metallpulvers Schicht für Schicht in einem Vakuum ermöglicht die Herstellung sehr dichter Metallteile, die besonders gute Eigenschaften besitzen und die Vorteile des verwendeten Materials besonders gut erhalten. Die auf diese Weise hergestellten Bauteile besitzen wesentlich bessere Materialeigenschaften als beispielsweise Bauteile, die gegossen wurden. Aufgrund der Vorteile dieses Herstellungsverfahren stellt es eine sehr gute Wahl für die Herstellung medizinischer Implantate dar, bei der unterschiedliche Metalle wie beispielsweise Edelstahl verarbeitet werden können. Auch Titanlegierungen lassen sich mit dieser Technologie hervorragend verarbeiten. Voraussetzung der verwendeten Materialien ist lediglich die, dass es sich um elektrisch leitfähige Materialien handelt, die per Elektronenstrahl bearbeitet werden können. Elektrisch nicht leitende Materialien werden durch den Elektronenstrahl nicht verändert, weshalb sich Polymere oder keramische Stoffe nicht verarbeiten lassen. Das Elektronenstrahlschmelzen wird auch besonders gerne eingesetzt für die wirtschaftliche Produktion von Prototypen, da die Zeitspanne zwischen der Entwicklung und der eigentlichen Fertigung relativ klein ist und das Herstellungsverfahren eine große geometrische Gestaltungsfreiheit bietet. Für eine wirtschaftliche Produktion von größeren Serien an Bauteilen ist das Elektronenstrahlschmelzen oder Electron Beam Melting dagegen weniger geeignet, da die Fertigung relativ langsam vonstatten geht und das Bauvolumen durch die Bauform des Druckers stark begrenzt ist.