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Elektronenstrahlschmelzverfahren für Luft- und Raumfahrt

Arcam EBM arbeitet als einziger Hersteller von Elektronenstrahlschmelzmaschinen (Electron Beam Melting, EBM) für die industrielle Produktion an der Verfeinerung des EBM-Verfahrens für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Auf der Liste der 3D-Druckverfahren ist das Elektronenstrahlschmelzen noch recht neu. Es verspricht die Fertigung leichterer und komplexerer Metallteile in hohen Stückzahlen, ohne dass Kompromisse in der Festigkeit eingegangen werden müssen.

Industrielle Technologien

Zu den ersten Anwendern des 3D-Metalldrucks gehörte die Luft- und Raumfahrtindustrie. Innerhalb von weniger als einem Jahrzehnt ist die Technologie zu einem integralen Bestandteil des Produktionsprozesses geworden. 3D-gedruckte Metalllegierungen können hohe Geschwindigkeiten und durch hohe Temperaturen gekennzeichnete Umgebungsbedingungen überstehen; und das bei gleichzeitiger Optimierung des Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht des Flugzeugs. Bisher wurde 3D-Metalldruck in der Luft- und Raumfahrt hauptsächlich mit dem selektiven Laserschmelzen in Verbindung gebracht, aber nun drängen äußerst vielversprechende Alternativen wie etwa das Elektronenstrahlschmelzen auf den Markt. Der Anbieter von additiven Fertigungslösungen für Metalle Arcam EBM ist für sein innovatives EBM-Verfahren bekannt, das gestalterische Freiheit, exzellente Materialeigenschaften und schichtweises Arbeiten zu bieten hat. Das schwedische Unternehmen überarbeitet mit Hilfe der EU-Finanzmittel des Projekts EBMPerform die Elektronenstrahlquellen. Und es verbessert die 3D-Drucksoftware seiner EBM-Maschinen, um den Anforderungen des Luft- und Raumfahrtmarktes besser gerecht werden zu können. Ultimatives Ziel ist die zuverlässige Massenproduktion von 3D-gedruckten Metallteile, die starker Hitze und hohen Drücken standhalten.

Das Besondere an EBM: hohe Temperaturen im gesamten Prozess

Das patentierte Verfahren von Arcam ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metallteile Schicht für Schicht aus Metallpulvern aufgebaut werden, die gemäß den genauen Vorgaben eines computerunterstützten Konstruktionsmodells gezielt mit einem leistungsstarken Elektronenstrahl aufgeschmolzen werden. Der Elektronenstrahl wird durch elektromagnetische Spulen fokussiert, die eine extrem schnelle und genaue Strahlführung gestatten, so dass es möglich ist, mehrere Schmelzen (bis zu 70) gleichzeitig beizubehalten, ohne Kompromisse in der Oberflächengüte und Genauigkeit eingehen zu müssen. Das Verfahren findet unter Vakuum bei hohen Temperaturen statt. Dabei entstehen spannungsfrei geglühte Teile mit Materialeigenschaften, die besser als bei Gussstücken und vergleichbar mit geschmiedeten Metallen sind. Für jede im Aufbau befindliche Schicht erwärmt der Strahl das gesamte Pulverbett auf eine optimale, vom eingesetzten Werkstoff abhängige Temperatur. Auf diese Weise können für den ingenieurtechnischen Einsatz dichte, hohlraumfreie Teile gefertigt werden. Außerdem entfällt die Notwendigkeit von Nachbearbeitungsverfahren wie beispielsweise einer Wärmebehandlung, die einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtproduktionskosten haben. „Ein wesentliches Merkmal unserer verbesserten EBM-Technologie ist, dass für anspruchsvolle Anwendungen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt an der Tagesordnung sind, der gesamte Aufbau bei sehr hohen Temperaturen von konstant über 1 000 °C stattfinden kann“, sagt Dr. Anders Snis, Leiter der Forschungsgruppe, die neue Prozessstrategien und Werkstoffe entwickelt. „Wir arbeiten derzeit an verbesserten Modellen zur Steuerung des Schmelzprozesses und an verbesserten Wärmemodellen zur Steuerung der Wärmeverteilung im aufgebauten Teil. Im Endeffekt werden diese uns auch eine Hilfe dabei sein, komplexere 3D-gedruckte Teile zu fertigen.“ Der Aufbau bei höheren Temperaturen von über 1 000 °C eröffnet einzigartige Möglichkeiten für den 3D-Druck von Flugzeugteilen, bei denen man auf rissgefährdete Werkstoffe angewiesen ist. „So können die Flugzeugingenieure beispielsweise für Strahltriebwerke bestimmte Turbinenschaufeln additiv aus Titanaluminid (TiAl) und anderen hochwertigen Legierungen fertigen. Auch wenn diese für Rissbildung anfällig sind, zeichnen sie sich doch besonders durch ihre Festigkeit und Hitzebeständigkeit aus“, ergänzt Dr. Snis. Seit 2019 ist EBM die einzige kommerzielle additive Fertigungslösung zur Produktion von leichten TiAl-Bauteilen.

Zu erwartende Ergebnisse

Zur Optimierung des EBM-Verfahrens arbeitet die Forschergruppe an mehreren Schwerpunkten gleichzeitig: an neuartigen Elektronenstrahlquellen, einer hochgenauen Autokalibrierung, neuen oder verbesserten Softwareplattformen und der Elektronik zur effizienten und genauen Strahlführung. Von den neuen Systemen wird erwartet, dass sie im Hinblick auf die Hardware robuster und langlebiger sowie in der Lage sind, Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen. Die verbesserte EBM-Technologie wird hoch beanspruchten Anwendungen wie etwa Turbinenschaufeln und Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt, welche die höchsten Werkstoffnormen erfüllen müssen, sehr zugute kommen.

Schlüsselbegriffe

EBMPerform, Metall, Luft- und Raumfahrt, 3D-Druck, hohe Temperaturen, Arcam EBM, additive Fertigung, Turbinenschaufel, Titanaluminid (TiAl)

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