Elektronenstrahlschmelzen – Electron Beam Melting (EBM Verfahren)

In diesem Beitrag geht es um das Elektronenstrahlschmelzen oder kurz EBM; von Electron Beam Melting. Nach einer Vorstellung des Aufbaus und der Funktionsweise von EBM-Druckern werden die Vor- und Nachteile dieses Verfahrens durchleuchtet.

Wie ist ein EBM-Drucker aufgebaut?

Ein EBM Drucker besteht in der Regel aus folgenden Elementen:

  • Vakuumkammer zur Erzeugung eines Hochvakuums
  • Elektronenstrahlsäule
  • Elektronenstrahl
  • Elektromagnetische Spulen zur Ablenkung des Elektronenstrahls
  • Linse zur Fokussierung des Elektronenstrahls
  • 2 Pulverkammern mit Ausgangsmaterial
  • Rakel zum gleichmäßigen Verteilen des Ausgangsmaterials im Bauraum
  • Bauraum mit Plattform, die sich hoch und runter bewegt
Elektronenstrahlschmelzen EBM
Der Aufbau eines 3D-Druckers nach dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Eigene Abbildung nach [3DPrint]

Wie funktioniert das EBM-Verfahren?

Beim Elektronenstrahlschmelzen bzw. Electron Beam Melting (EBM) wird ein Elektronenstrahl verwendet, um pulverförmiges Material (Metall) zu schmelzen. Das Pulver ist je nach Ausgangsmaterial mit einer Temperatur zwischen 700°C und 1000°C vorgeheizt.

Der Elektronenstrahl aus der Elektronenstrahlsäule wird durch eine Fokussierungslinse geführt. Anschließend gelangt dieser fokussierte Strahl durch eine Ablenkungseinheit, in der der Strahl auf den gewünschten Punkt mithilfe von Elektromagneten abgelenkt wird. (Ähnlich dem Versuch mit einer Braunschen Röhre aus dem Physikunterricht (Wikipedia-Artikel dazu)).

Um diesen Effekt zu erzielen, wird ein luftleerer Raum benötigt, weshalb der gesamte Druckvorgang beim EBM-Verfahren in einem Hochvakuum stattfindet. Das Vakuum sorgt zudem dafür, dass das erhitzte Metallpulver nicht oxidiert. Dadurch kann ein Großteil des ungenutzten Materials in späteren Druckvorgängen eingesetzt werden.

Wenn der Elektronenstrahl den gewünschten Punkt trifft, wird durch die Hitze das Ausgangsmaterial geschmolzen und durch das Abkühlen verfestigt. Die Bauplattform fährt eine Schichthöhe herunter und erlaubt so das Auftragen der nächsten Pulverschicht. Das Auftragen erfolgt mit einem Rakelsystem, wodurch ein gleichbleibendes Ergebnis erzielt wird.

Im Anschluss daran wird diese Schicht mit dem Elektronenstrahl „beschossen“. Das geschmolzene Material verbindet sich mit der unteren Schicht und erzeugt so schichtweise ein dreidimensionales Objekt.

Elektronenstrahlschmelzen – Was sind die Vor- und Nachteile des Verfahrens?

Vorteile von EBM

  • Druckobjekte mit einer hohen Dichte bis ca. 100% möglich
  • Hohe mechanische Belastbarkeit der Druckobjekte (Ähnlich den klassischen Fertigungsverfahren)

Nachteile von EBM

  • Langsamer Druckvorgang
  • Langer Abkühlvorgang im Anschluss an den Druck
  • Teuer in der Anschaffung und in der Nutzung
  • Nachbearbeitung der Druckobjekte mit einem großen Aufwand verbunden
  • Erzeugt sehr raue Oberflächen
  • Geringere Auflösung als beispielsweise beim Selektiven Laserschmelzen

Quellen/ Weiterführende Literatur: