Mit RainTec von pro-beam direkt vom 3D-CAD-Modell zum gedruckten Metallbauteil

Die PB EBM 30S besticht mit einer einzigartigen Belichtungsstrategie, die eine kontrollierte und individuelle Wärmeverteilung ermöglicht.

Ähnlich der PBF-LB-Technologie, welche mit einem Laser arbeitet, werden die dünnen Pulverschichten beim PBF-EB-Verfahren mittels Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Diese Technologie ist aufgrund der detaillierten Auflösung insbesondere für kleine und mittelgroße endkonturnahe Bauteile mit hoher Komplexität geeignet. Für Industriekunden hat pro-beam die Serienanlage PB EBM 30S entwickelt. Dank eines innovativen Schleusenkonzepts mit einer Parallelisierung der Aufbau- und Abkühlprozesse, der hohen Beschleunigungsspannung von 150 kV, welche die Prozessstabilität signifikant erhöht, und einer vollkommen neuartigen Belichtungsstrategie erreicht diese Anlage eine besonders hohe Produktivität.

Auf einer PB EBM 30S mittels RainTec gedrucktes Modell eines Bremssattels aus Ti-6Al-4V. Das generative Design wurde angepasst und stammt ursprünglich von Herrn Amigo López.

Extrem schnell im Hochvakuum

Das EBM-Verfahren zeichnet sich durch die kontrollierte und saubere Prozessführung aus, die einen gezielten Energieeintrag erlaubt. Durch die sehr hohen Vorheiztemperaturen entstehen während des gesamten Bauprozesses nur geringe thermische Spannungen, was vorteilhaft für Materialien mit schlechter Schweißbarkeit oder Rissanfälligkeit ist, wie es beispielsweise bei Titanaluminiden der Fall ist. Der gesamte Prozess findet im Hochvakuum statt, sodass bei reaktiven Metallen wie Titan oder Niob keine Oxidation auftritt. Darüber hinaus kann der Elektronenstrahl durch elektromagnetische Ablenkung extrem schnell bewegt werden, da, im Gegensatz zu mechanisch bewegten Laseroptiken, die Magnetspulen keine mechanische Trägheit aufweisen. Hierdurch kann unter anderem eine höhere Baugeschwindigkeit erzielt werden, neuartige Belichtungsstrategien sind möglich und der Energieeintrag kann in mehreren Schmelzstellen dediziert gesteuert werden.

Klassischerweise erfolgt das Schmelzen über eine Hatching-Strategie. Das heißt, die Energiequelle fährt linienförmig die zu schmelzende Fläche ab. Gerade bei laserbasierten Verfahren ist diese Belichtungsstrategie aufgrund der Trägheit der mechanisch-optischen Elemente alternativlos. Erst die schnelle elektromagnetische Ablenkung des Elektronenstrahls ermöglicht eine leistungsfähige Punktbelichtung. Mit RainTec hat pro-beam eine punktbasierte Belichtungsstrategie entwickelt, die auf unabhängigen Schmelzbädern an räumlich diskreten Punktpositionen in definierter zeitlicher Abfolge basiert. Diese Strategie ermöglicht eine präzisere Kontrolle des lokalen Energieeintrags, des Temperaturverlaufs und der Schmelzbadgeometrie.

Vorteile von RainTec gegenüber konventionellen Belichtungsstrategien

Keine Geometrieabhängigkeit: Heute muss in den meisten Fertigungsprozessen mit einer anderen Bauteilgeometrie oder -anordnung die Prozessstrategie individuell angepasst werden. Diese Anpassung erfolgt oft händisch anhand der Expertise des Anwenders über mehrere Testversuche. Ein stabiler Prozess kann damit nicht sichergestellt werden. RainTec ist geometrieunabhängig und macht es erstmals möglich, eine Bauteilfertigung umgehend aus dem 3D-CAD-Modell zu realisieren.

Weniger Parameter einstellen: Im Vergleich zur Linienbelichtung müssen bei der Punktbelichtung mit RainTec durch den Bediener deutlich weniger Parameter eingestellt werden. Insbesondere bei Parameterstudien und der Entwicklung von neuen Werkstoffen ist das ein großer Vorteil und beschleunigt den Prozess erheblich.

Materialeigenschaften präzise einstellen: Durch eine gezielte Steuerung des Wärmehaushalts können das Gefüge und die Mikrostruktur bei der Punktbelichtung aktiv beeinflusst werden, wodurch verschiedene Materialeigenschaften in einem Bauteil zuverlässig erreicht werden können. Gerade Bauteile, die in ihrer Endanwendung sehr hohe Anforderungen wie z. B. hohe dynamische Belastung erfahren, können so gezielt auf die definierten Anforderungen hin entwickelt und gefertigt werden.

Punktbelichtung für mehr Bauteilqualitäten

Stand heute ist die Punktbelichtung RainTec in erfolgreicher Erprobung bei pro-beam und auf eine Vielzahl an komplexen Bauteilen angewendet worden. Die aktuell laufende Weiterentwicklung und Optimierung erfolgt in Kooperation mit dem Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, gefördert durch die DFG im SFB 814 (Projekt ID 61375930). Durch den gezielten Einsatz thermischer Simulationen erwarten sich die Projektpartner wichtige Weiterentwicklungen, welche die Punktbelichtung noch universeller einsetzbar machen und sich nochmals positiv auf die maximal erzielbaren Bauteilqualitäten auswirken sollen. Durch die Weiterentwicklung der Punktbelichtung wird eine enorme Steigerung der Produktivität in der Größenordnung bis zu einem Faktor 2,5 erwartet, da nur bei einer derartigen Belichtungsstrategie die hohe Leistung des Elektronenstrahlgenerators abgerufen werden kann. Hierdurch werden Verarbeitungszeiten signifikant reduziert, was zu Kosteneinsparungen beim Kunden beiträgt.