Neun Mythen über das Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen

Das Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen unterliegt zahlreichen Mythen, die es zu klären gilt.

Ulf Ackelid
PhD. Leitender Wissenschafter und Co-Founder von Freemelt

„Ich bin in erster Linie ein Experimentator, der praktische Problemlösungen und praktische Laborarbeit liebt. “

Mythos 1: E-PBF ist eine Unterabteilung von L-PBF (Laser Powder Bed Fusion)

Falsch. E-PBF und L-PBF sind zwei unterschiedliche, gleichwertige AM-Technologien. Beide gehören zur PBF-Kategorie in der Additiven Fertigung und beide existieren aus guten Gründen, da sie unterschiedliche Stärken und Schwächen haben.

Mythos 2: E-PBF ist L-PBF sehr ähnlich

Nun, E-PBF und L-PBF mögen auf den ersten Blick ähnlich erscheinen, da sie beide auf dem schichtweisen Schmelzen von Metallpulver mit einem Energiestrahl basieren. Aber wenn man genauer hinschaut, gibt es viele Unterschiede, zum Beispiel:

• Die physikalische Wechselwirkung mit fester Materie ist für Elektronen und Photonen (Licht) unterschiedlich. Photonen geben ihre Energie an der Oberfläche ab, während Elektronen eine gewisse Eindringtiefe in das Material haben. Auch die Energieeffizienz kann für Elektronen und Photonen je nach zu bearbeitendem Material sehr unterschiedlich sein. Diese Faktoren beeinflussen Materialeigenschaften und Produktivität.

• E-PBF findet im Vakuum statt, während L-PBF (normalerweise) unter Schutz eines Inertgases abläuft. Diese unterschiedlichen Umgebungen wirken sich stark auf Schmelzeigenschaften, Reinheit, Verdunstung, Kühlung usw. aus.

• E-PBF arbeitet normalerweise bei viel höheren Temperaturen als L-PBF. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Materialeigenschaften in Bezug auf Eigenspannungsniveau, Mikrostruktur, Zugeigenschaften, Rissempfindlichkeit, Notwendigkeit einer Wärmebehandlung usw.

• E-PBF erfordert normalerweise ein leichtes Vorsintern des gesamten Pulverbetts, was sich auf die Notwendigkeit von Stützstrukturen und auch auf die Nachbearbeitung auswirkt.

Mythos 3: E-PBF ist nur für Titanlegierungen geeignet

Nun, es stimmt, dass E-PBF eng mit Titanlegierungen verbunden ist, aber das hat hauptsächlich historische Gründe. Titan wurde schon früh getestet, hat sich bewährt und wurde schnell zum Material der Wahl für E-PBF. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Titan magische Eigenschaften für E-PBF besitzt. Es gibt viele andere Materialien, die ein großes Potenzial für die Arbeit mit E-PBF haben, wie zahlreiche Tests im kleinen Maßstab an Universitäten und Forschungsinstituten belegen. Wir müssen nur zusammenarbeiten, um andere Materialien auf den gleichen E-PBF-Reifegrad wie Titan zu bringen.

Mythos 4: E-PBF ergibt immer eine höhere Oberflächenrauheit als L-PBF und andere AM-Technologien

Unbewiesen. Ich persönlich glaube, dass der Hauptgrund für die höhere Oberflächenrauigkeit das gröbere Pulver und die dickeren Schichten sind, die traditionell mit E-PBF verwendet werden. Tatsächlich wurden nur wenige Versuche mit feineren Pulvern und dünneren Schichten unternommen. Hohe Produktivität und niedrige Pulverkosten waren stärkere Antriebskräfte als die Oberflächenqualität. So weiß niemand wirklich, wie glatte Oberflächen E-PBF unter optimalen Bedingungen liefern kann.

Mythos 5: Ein Nachteil von E-PBF ist, dass der fertige Build mehrere Stunden Abkühlzeit benötigt

Da E-PBF ein heißer Prozess unter Vakuum ist, ist es natürlich, dass eine gewisse Abkühlzeit erforderlich ist, insbesondere für reaktive Materialien, die im heißen Zustand nicht der Luft ausgesetzt werden können. Aber warum wird die Kühlzeit selbst als Nachteil angesehen? Letztendlich wird die AM-Produktivität durch die Gesamtdurchlaufzeit pro Teil bestimmt, das in einer AM-Maschine hergestellt wird. Die Abkühlzeit ist nur ein Bruchteil der gesamten Bearbeitungszeit und wird in den meisten Fällen durch die hohe Aufbaurate von E-PBF gut kompensiert.

Wenn Sie ein Rennen fahren, ist es Ihre Gesamtzeit, die Ihre Leistung bestimmt, nicht Ihre Geschwindigkeit in verschiedenen Teilen des Rennens.

Mythos 6: E-PBF funktioniert nur mit grobem (> 50 µm) Metallpulver

Falsch oder unbewiesen. Dies ist eine weit verbreitete Annahme, die auf „Rauch“-Probleme zurückzuführen ist, die in den frühen Tagen von E-PBF bei feinem Pulver beobachtet wurden. In Wirklichkeit liegt der Grund, warum grobes Pulver bevorzugt wurde, darin, dass E-PBF in der Lage ist, grobes Pulver zu schmelzen. Grobes Pulver ist billiger, sicherer und einfacher zu handhaben. Wie erwähnt, wurden wenige E-PBF-Versuche mit feinerem Pulver unternommen. Mir ist nur ein Artikel bekannt, der Tests mit 25 bis 45 µm Titanpulver beschreibt, und diese Tests waren erfolgreich.

Mythos 7: E-PBF funktioniert nur mit kugelförmigen Pulvern

Unbewiesen. Ich behaupte, dass der Grund, warum kugelförmiges Pulver benötigt wird, eher mit der tatsächlichen Konstruktion von Pulverzufuhr- und Pulverschichtsystemen zusammenhängt als mit dem E-PBF-Prozess selbst. Es gibt eine riesige F&E-Möglichkeit für Verbesserungen und Innovationen in der Pulververteilung, die zu einer höheren Toleranz gegenüber Pulvern mit unregelmäßiger Form führen könnten.

Mythos 8: E-PBF-Material hat immer eine säulenförmige Mikrostruktur

Falsch. E-PBF-Mikrostrukturen sind stark von Strahlparametern abhängig. Es wurde beispielsweise gezeigt, dass durch innovative Strahlabtastalgorithmen eine gleichachsige Mikrostruktur erhalten werden kann. Dies ist ein weitgehend unerforschtes F&E-Gebiet. In Zukunft glaube ich, dass es möglich sein wird, die Mikrostruktur lokal in verschiedenen Regionen einer einzigen E-PBF-Komponente maßzuschneidern.

Mythos 9: E-PBF funktioniert nicht mit magnetischen Materialien

Falsch oder unbewiesen. Dieser Glaube rührt von der Tatsache her, dass ein Elektronenstrahl leicht durch ein Magnetfeld gestört wird. Ferromagnetische Metalle wie Eisen, Kobalt und Nickel können bei Raumtemperatur tatsächlich eine gewisse Dauermagnetisierung aufweisen. Beachten Sie jedoch, dass die ferromagnetischen Eigenschaften ab einer bestimmten Temperatur, dem sogenannten Curie-Punkt, verloren gehen. Somit sind in einem E-PBF-Prozess bei erhöhten Temperaturen ferromagnetische Materialien nicht unbedingt ein Thema.