Elektronenstrahlschmelzen(EBM)
Selektives Schmelzen mit Elektronenstrahlen (EBSM) Prinzip
Ähnlich wie beim laserselektiven Sintern undSelektives LaserschmelzenBei den Verfahren handelt es sich bei der Elektronenstrahl-Selektiven Schmelztechnologie (EBSM) um eine schnelle Fertigungstechnologie, bei der hochenergetische und schnelle Elektronenstrahlen eingesetzt werden, um Metallpulver selektiv zu beschießen und dadurch Pulvermaterialien zu schmelzen und zu formen.
Der EBSM-Prozess Das Verfahren funktioniert wie folgt: Zunächst wird eine Pulverschicht auf der Pulververteilungsfläche verteilt. Anschließend wird das Metallpulver computergesteuert anhand des Querschnittsprofils selektiv mit dem Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Dabei verschmilzt es mit dem darunterliegenden Formteil und wird schichtweise aufgebaut, bis das gesamte Teil vollständig aufgeschmolzen ist. Abschließend wird überschüssiges Pulver entfernt, um das gewünschte dreidimensionale Produkt zu erhalten. Das Echtzeit-Scansignal des übergeordneten Rechners wird nach Digital-Analog-Wandlung und Leistungsverstärkung an den Ablenkjoch übertragen. Der Elektronenstrahl wird durch das Magnetfeld, das von der entsprechenden Ablenkspannung erzeugt wird, abgelenkt, um das selektive Aufschmelzen zu erreichen. Nach über zehn Jahren Forschung hat sich gezeigt, dass bestimmte Prozessparameter wie Elektronenstrahlstrom, Fokussierstrom, Einwirkzeit, Pulverdicke, Beschleunigungsspannung und Scanmodus in orthogonalen Versuchen optimiert werden können. Die Einwirkzeit hat den größten Einfluss auf die Formgebung.
Vorteilevon EBSM
Die Elektronenstrahl-Direktumformung (EBM) nutzt hochenergetische Elektronenstrahlen als Wärmequelle. Durch die Manipulation der magnetischen Ablenkspule kann das Scannen ohne mechanische Trägheit erfolgen. Die Vakuumumgebung des Elektronenstrahls verhindert zudem die Oxidation des Metallpulvers während des Flüssigphasensinterns oder -schmelzens. Im Vergleich zum Laser bietet der Elektronenstrahl Vorteile wie hohe Energieausnutzung, große Eindringtiefe, hohe Materialabsorption, Stabilität sowie geringe Betriebs- und Wartungskosten. Zu den Vorteilen der EBM-Technologie zählen hohe Umformeffizienz, geringe Bauteilverformung, der Verzicht auf Metallstützen während des Umformprozesses und ein dichteres Mikrogefüge. Die Ablenkung und Fokussierung des Elektronenstrahls erfolgt schneller und präziser. Die Ablenkung des Lasers erfordert einen Vibrationsspiegel, dessen Rotationsgeschwindigkeit bei hohen Scangeschwindigkeiten extrem hoch ist. Mit steigender Laserleistung benötigt das Galvanometer ein komplexeres Kühlsystem und erhöht sein Gewicht deutlich. Daher ist die Scangeschwindigkeit des Lasers bei höheren Leistungen begrenzt. Beim Scannen eines großen Formgebungsbereichs ist die Änderung der Laserbrennweite ebenfalls schwierig. Die Ablenkung und Fokussierung des Elektronenstrahls erfolgen mittels Magnetfeld. Die Ablenk- und Fokussierungslänge des Elektronenstrahls lässt sich schnell und präzise durch Änderung der Intensität und Richtung des elektrischen Signals steuern. Das Ablenk- und Fokussierungssystem des Elektronenstrahls wird durch Metallverdampfung nicht beeinträchtigt. Beim Schmelzen von Metall mit Lasern und Elektronenstrahlen diffundiert der Metalldampf im gesamten Formgebungsbereich und überzieht die Oberfläche aller Objekte, die mit dem Metallfilm in Kontakt kommen. Da die Ablenkung und Fokussierung von Elektronenstrahlen vollständig in einem Magnetfeld erfolgen, werden sie nicht durch Metallverdampfung beeinflusst; optische Geräte wie Lasergalvanometer sind hingegen anfällig für Verschmutzungen durch Verdampfung.
Laser MeTal Ablagerung(LMD)
Die Laser-Metall-Auftragschweißung (LMD) wurde in den 1990er Jahren vom Sandia National Laboratory in den USA erstmals vorgeschlagen und anschließend weltweit weiterentwickelt. Da zahlreiche Universitäten und Institute unabhängig voneinander an dieser Technologie forschen, gibt es viele Bezeichnungen dafür. Obwohl die Namen variieren, sind die Funktionsprinzipien im Wesentlichen gleich. Beim Auftragschweißen wird das Pulver durch die Düse auf die Arbeitsfläche aufgebracht und der Laserstrahl ebenfalls auf diesen Punkt fokussiert. Pulver und Laserstrahl treffen sich, und die Schichtstruktur wird durch Bewegung entlang des Arbeitstisches oder der Düse erzeugt.
LENS-Technologie Es werden Laser der Kilowattklasse eingesetzt. Aufgrund des großen Laserfokusflecks von in der Regel über 1 mm lassen sich zwar metallurgisch dichte Metallbauteile erzielen, deren Maßgenauigkeit und Oberflächengüte sind jedoch nicht optimal, sodass eine Nachbearbeitung vor der Verwendung erforderlich ist. Das Laserauftragschweißen ist ein komplexer physikalisch-chemischer metallurgischer Prozess, dessen Parameter die Qualität der beschichteten Teile maßgeblich beeinflussen. Zu den wichtigsten Prozessparametern zählen Laserleistung, Fokusfleckdurchmesser, Defokussierung, Pulverfördergeschwindigkeit, Scangeschwindigkeit und Schmelzbadtemperatur. Diese Parameter wirken sich stark auf den Verdünnungsgrad, die Rissbildung, die Oberflächenrauheit und die Dichte der beschichteten Teile aus. Da sich die Parameter gegenseitig beeinflussen, ist der Prozess sehr komplex. Um die verschiedenen Einflussfaktoren innerhalb der zulässigen Grenzen des Beschichtungsprozesses zu halten, müssen geeignete Kontrollmethoden angewendet werden.
DirektMetalllaser Sintering(DMLS)
Es gibt üblicherweise zwei Methoden fürSLSZur Herstellung von Metallteilen gibt es zwei Verfahren: das indirekte SLS-Verfahren (Simple Laser Sintering) von polymerbeschichtetem Metallpulver und das direkte DMLS-Verfahren (Direct Metal Laser Sintering). Seit den ersten Forschungen zum direkten Lasersintern von Metallpulver an der Chatofci-Universität in Leuvne im Jahr 1991 gilt die direkte Herstellung dreidimensionaler Bauteile mittels SLS als eines der wichtigsten Ziele des Rapid Prototyping. Im Vergleich zum indirekten SLS-Verfahren liegt der Hauptvorteil des DMLS-Verfahrens in der Eliminierung teurer und zeitaufwändiger Vor- und Nachbehandlungsschritte.
Merkmale von DMLS
Als Zweig der SLS-Technologie basiert die DMLS-Technologie im Prinzip auf demselben Prinzip. Allerdings ist es schwierig, mit DMLS Metallteile mit komplexen Formen präzise herzustellen. Dies ist letztendlich hauptsächlich auf den Sphäroidisierungseffekt und die Sinterverformung des Metallpulvers beim DMLS-Verfahren zurückzuführen. Sphäroidisierung ist ein Phänomen, bei dem sich die Oberfläche der Metallschmelze aufgrund der Grenzflächenspannung zwischen dem flüssigen Metall und dem umgebenden Medium zu einer Kugelform verändert. Dadurch wird ein System aus der Oberfläche der Metallschmelze und der Oberfläche des umgebenden Mediums mit minimaler freier Energie geschaffen. Die Sphäroidisierung verhindert, dass das Metallpulver nach dem Schmelzen zu einem kontinuierlichen und glatten Schmelzbad erstarrt. Die geformten Teile sind daher locker und porös, was zu Formfehlern führt. Aufgrund der relativ hohen Viskosität von einkomponentigem Metallpulver in der Flüssigphasensinterphase ist der Sphäroidisierungseffekt besonders ausgeprägt. Der Kugeldurchmesser ist oft größer als der Durchmesser der Pulverpartikel, was zu einer großen Anzahl von Poren in den Sinterteilen führt. Daher weist das DMLS-Verfahren für einkomponentiges Metallpulver deutliche Prozessmängel auf und erfordert häufig eine Nachbehandlung, was nicht dem eigentlichen Sinn des „direkten Sinterns“ entspricht.
Um die „Sphäroidisierung“ von einkomponentigen Metallpulvern beim DMLS-Verfahren und die daraus resultierenden Prozessdefekte wie Sinterverformung und geringe Dichte zu überwinden, kann dies im Allgemeinen durch den Einsatz von Mehrkomponenten-Metallpulvern mit unterschiedlichen Schmelzpunkten oder durch Vorlegierungspulver erreicht werden. Das Mehrkomponenten-Metallpulversystem besteht üblicherweise aus hochschmelzenden Metallen, niedrigschmelzenden Metallen und einigen Legierungselementen. Das hochschmelzende Metallpulver dient als Gerüstmetall und behält seinen festen Kern beim DMLS-Verfahren. Das niedrigschmelzende Metallpulver dient als Bindemittel, das beim DMLS-Verfahren aufgeschmolzen wird und eine flüssige Phase bildet. Diese flüssige Phase umhüllt, benetzt und verbindet die festen Metallpartikel und führt so zur Sinterverdichtung.
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Beitragende: Sammi
