Freemelt ONE: Open-Source-Technologie zur Erforschung des PBF-EB-Potenzials

Eine neue Welle von Herstellern von AM-Maschinen, die sich auf das Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen (PBF-EB) konzentrieren, versucht, von einem Prozess zu profitieren, der als Prozess mit erheblichem ungenutzten Marktpotenzial wahrgenommen wird. Einer der prominentesten dieser Newcomer ist Freemelt AB, ein Entwickler von Open-Source-Maschinen, die dazu beitragen sollen, das PBF-EB-Materialportfolio und die Anwendungsbereiche zu erweitern.

Der Freemelt ONE ist vielseitig und benutzerfreundlich. Die Maschine wird starr von einer Rahmenstruktur ohne Außenhülle getragen, die einen offenen Zugang zu allen Öffnungen an der Vakuumkammer ermöglicht.

Der Freemelt ONE ist vielseitig und benutzerfreundlich. Die Maschine wird starr von einer Rahmenstruktur ohne Außenhülle getragen, die einen offenen Zugang zu allen Öffnungen an der Vakuumkammer ermöglicht.

Peter Jain
CSO und Mitglied der Geschäftsleitung bei Freemelt AB

„Da neben Freemelt neue Anbieter in den PBF-EB-Bereich eintreten, erwarten wir einen Schub bei neuen Materialien sowie bei der Produktivität. Das unerforschte Potenzial von PBF-EB ist riesig.“

Peter Jain, CSO und Mitglied der Geschäftsleitung bei Freemelt AB, verrät, warum PBF-EB so weit hinter PBF-LB zurückblieb. Dafür gibt es aus seiner Sicht mehrere historische und kommerzielle Gründe. Frühere PBF-EB-Bemühungen beschränkten sich hauptsächlich auf eine Materialklasse, Titanlegierungen, und waren auf nur zwei High-End-Marktsegmente ausgerichtet: Luft- und Raumfahrt und Medizin. Diese frühe Fokussierung ist verständlich, da diese Märkte die größten praktischen Erfolgsaussichten hatten. Es ermöglichte auch Produktentwicklungsziele, die in die damals verfügbaren Ressourcen für eine Technologie passten, die ursprünglich als komplex und empfindlich galten, zum Teil wegen ihrer Vakuumanforderungen. „Aufgrund der wahrgenommenen Komplexität der Technologie blieb Arcam lange Zeit der einzige Hersteller von PBF-EB-Geräten auf dem Markt“, erklärte er. Im Laufe der Jahre ist PBF-EB zu einer robusten und zuverlässigen Technologie gereift, aber das verfügbare Materialportfolio ist im Vergleich zum Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) immer noch äußerst begrenzt. „Da neben Freemelt neue Anbieter in den PBF-EB-Bereich eintreten, erwarten wir einen Schub bei neuen Materialien sowie bei der Produktivität. Das unerforschte Potenzial von PBF-EB ist riesig.“

Die lineare Bewegung des Beschichters wird durch einen außerhalb der Vakuumkammer positionierten Mechanismus ausgelöst, der eine lange Lebensdauer gewährleistet.

Die lineare Bewegung des Beschichters wird durch einen außerhalb der Vakuumkammer positionierten Mechanismus ausgelöst, der eine lange Lebensdauer gewährleistet.

Freemelt ONE: Ein Wegbereiter für die Weiterentwicklung von PBF-EB

Als PBF-EB-Spezialist hat Freemelt seit seiner Gründung seine Mission verfolgt, zunächst ein kleines Open-Source-Materialentwicklungssystem auf den Markt zu bringen. „Freemelt ONE wurde von Anfang an für die Materialforschung und -entwicklung zugeschnitten, sowohl in der Software als auch in der Hardware“, erklärt Jain. Die Maschinen- und Softwarearchitektur ermöglicht es, praktisch jeden Parameter zu ändern und damit zu experimentieren, wie z.B. neue Pulverzusammensetzungen, Partikelgrößenverteilungen, Schichtdicken, Schmelzstrategien usw.

Der Vorteil der Elektronenstrahlquelle ist seine konstante Strahlfleckqualität über den gesamten Strahlleistungsbereich von 0 bis 6 kW.

Der Vorteil der Elektronenstrahlquelle ist seine konstante Strahlfleckqualität über den gesamten Strahlleistungsbereich von 0 bis 6 kW.

Die Vakuumkammer hat dicke Stahlwände und eine hohe Steifigkeit, um eine thermische Verformung zu verhindern.

Die Vakuumkammer hat dicke Stahlwände und eine hohe Steifigkeit, um eine thermische Verformung zu verhindern.

Die Vorteile und Schwächen von PBF-EB

Auf die Frage, was seiner Meinung nach die Hauptstärken von PBF-EB seien, erklärte Jain: „Der Hauptvorteil ist die hohe Strahlleistung, die mit Elektronenstrahlen und Vakuumverarbeitung erreichbar ist. Diese einzigartigen Merkmale ermöglichen eine Hochtemperaturverarbeitung, die in vielen Fällen die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung von Bauteilen und Stützstrukturen vermeidet.“ Darüber hinaus erklärte er, dass diese Merkmale die Verarbeitung einer breiten Palette hochwertiger Materialien ermöglichen, die mit keiner anderen AM-Technologie, einschließlich der konkurrierenden PBF-LB, verarbeitet werden könnten. Diese Vorteile sind neben der schnellen Aufbaurate, die durch hohe Strahlleistung und praktisch sofortige Strahlpositionierung ermöglicht wird, Schlüsselfaktoren für die Mikrostrukturkontrolle, Produktivität und Vielseitigkeit der Technologie. „Wir sollten die Metallurgie nicht vergessen“, fügt Jain hinzu. „Die Reinheit des 3D-Drucks im Vakuum führt zu Materialien von höchster Qualität. Niemand kann leugnen, dass ein gutes Vakuum um Größenordnungen sauberer ist als das reinste verfügbare Inertgas.“

In Bezug auf die Schwächen von PBF-EB glaubt Jain, dass viele der wahrgenommenen Schwächen tatsächlich Missverständnisse sind. „Sie zu vermeiden, ist nur eine Frage der Ressourcen und der Entwicklung“, bemerkte er. Freemelt ist beispielsweise der Ansicht, dass die Oberflächenbeschaffenheit von PBF-EB-Teilen stark verbessert werden könnte, wenn Prozesse zu diesem Zweck entwickelt würden. Darüber hinaus glaubt Jain, dass der Prozess zur Entfernung des Pulverkuchens auf ein höheres Leistungsniveau gebracht werden kann und weder technisch noch kommerziell ein Hindernis für PBF-EB darstellt. „Im Gegenteil“, erklärte er „ist der Pulverkuchen, der aus der PBF-EB-Verarbeitung entsteht, eine Voraussetzung für einige der von uns erwähnten Vorteile von PBF-EB. Das Entfernen von Pulver aus internen Strukturen, insbesondere engen Kühlkanälen, ist eine Herausforderung für jede Powder Bed Fusion-Technologie, insbesondere bei der Heißverarbeitung, aber auch hier sehen wir neue Lösungen entstehen.“

Eine leistungsstarke 6-KW-Elektronenkanone für schnelle Verarbeitung und sehr hohe Pulverbetttemperaturen über 1.200 °C ermöglichen die Heißbearbeitung von rissempfindlichen Materialien und  Refraktärmetallen.

Eine leistungsstarke 6-KW-Elektronenkanone für schnelle Verarbeitung und sehr hohe Pulverbetttemperaturen über 1.200 °C ermöglichen die Heißbearbeitung von rissempfindlichen Materialien und Refraktärmetallen.

Während des E-Beam-Betriebs werden Pulver und Drucker-Mechanik vollständig vor Hitze, Verdunstung, Elektronen- und Röntgenstrahlen geschützt.

Während des E-Beam-Betriebs werden Pulver und Drucker-Mechanik vollständig vor Hitze, Verdunstung, Elektronen- und Röntgenstrahlen geschützt.

Die Elektronenstrahlquelle ist eine Quelle vom Diodentyp mit einer laserbeheizten Kathode.

Die Elektronenstrahlquelle ist eine Quelle vom Diodentyp mit einer laserbeheizten Kathode.

Ausblick auf das Potenzial von PBF-EB

Zur Zukunft der PBF-EB Additive Manufacturing glaubt Jain, dass das Segment auf eine neue Wachstumsphase zusteuert, die es zu einer größeren Akzeptanz und breiteren Anwendung führen wird. „GE Additive/Arcam hat hervorragende Arbeit geleistet, um den Grundstein für das Segment der Elektronenstrahl-AM zu legen, jetzt werden mehr Unternehmen auf diesem Gebiet angezogen“, sagte er. „Wir glauben, dass alle Systemhersteller, einschließlich GE Additive, von einem besseren Wissen und einem verstärkten Wettbewerb mit mehr Akteuren profitieren werden, da der potenzielle Markt noch weitgehend unerschlossen ist.“ Um ihr Wissen über die PBF-EB-Technologie und ihre Märkte zu erweitern, ermutigt Jain diejenigen Unternehmen und Institutionen, die das Potenzial von PBF-EB erkunden möchten, an der Electron Beam Additive Manufacturing-Konferenz teilzunehmen (www.ebam.fau.de). Die EBAM 2023 findet von 22. bis 24. März 2023 in Erlangen (D) statt. „EBAM deckt die neuesten Entwicklungen und Anwendungen von PBF-EB ab“, erklärte er. „Es ist ein primäres Mittel, um Wissenschaft und Wirtschaft über das Potenzial von Elektronenstrahl-AM aufzuklären.“

formnext: Halle 12.0, E138

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