Elektronenstrahl neu gedacht

Wenn der Laser an seine Grenzen stößt: Bauteilverzug, lange Prozesszeiten oder zu hohe Werkstoffkosten machen metallische additive Fertigungsverfahren in kritischen Anwendungen bisher oft unattraktiv. Mit der neu im Versuchsfeld des Produktionstechnischen Zentrums (PTZ) Berlin installierten Wayland Calibur3 eröffnet das Fraunhofer IPK seinen Partnern neue Wege für die Forschung und Entwicklung. Das Elektronenstrahlsystem ist besonders für Anwendungen mit schwer schweißbaren Legierungen, hohen Qualitätsanforderungen und komplexen Geometrien geeignet.

Neue Lösungen für alte Probleme

An der neuen Maschine können Forschende neue Lösungen erproben für Unternehmen aus Branchen, die bislang vergeblich auf einen additiven Durchbruch gehofft haben. Denn Elektronenstrahlprozesse arbeiten mit deutlich höherer Energieeffizienz als Lasersysteme und ermöglichen eine präzisere Temperaturführung – zwei entscheidende Vorteile, wenn es um rissanfällige oder stark reflektierende Werkstoffe geht. Beim Elektronenstrahlschmelzen (Powder Bed Fusion by Electron Beam, PBF-EB) wird Metallpulver in einem Vakuum gezielt aufgeschmolzen. Das Verfahren bietet das Potenzial, auch besonders anspruchsvolle Werkstoffe wie Nickelbasislegierungen, Titanaluminide oder Hartmetalle zu verarbeiten. Doch bisher musste das umgebende Pulver im Elektronenstrahlprozess angesintert werden, um zu verhindern, dass sich Partikel elektrostatisch aufladen und im Vakuum aufsteigen. Der dadurch entstehende sogenannte »Sinterkuchen« erschwert eine Wiederverwendung des Pulvers sowie die Fertigung von inneren Kavitäten.

Die Calibur3 nutzt eine patentierte Technologie zur Neutralisation des Elektronenstrahls. Durch das gezielte Einbringen positiv geladener Ionen in die Baukammer werden elektrostatische Aufladungen vermieden – der Sinterkuchen gehört der Vergangenheit an. Damit erschließt sich ein grundlegend neues Anwendungsspektrum für das Elektronenstrahlschmelzen, insbesondere bei Bauteilen mit innenliegenden Kavitäten oder komplexen Kühlkanälen, wie sie beispielsweise in der Turbomaschinen- oder Werkzeugtechnik benötigt werden.

Neben den qualitativen Aspekten der Bearbeitungsprozesse bringt die Maschine weitere Vorteile mit sich, die ihre Anwendung für die Untersuchung von industriellen Fragestellungen interessant machen: Durch den großen Bauraum mit einem Volumen von 300 auf 300 auf 450 Millimeter lassen sich im Elektronenstrahlverfahren besonders viele Teile auf einmal fertigen. Deutlich wird das am Beispiel eines typischen Anwendungsfalls, dem Druck von Hüftpfannenimplantaten aus Titan. Wer heute solche medizinischen Implantate additiv fertigt, steht vor diversen Herausforderungen: hohem Verzug, teuren Werkstoffen und begrenzten Stückzahlen pro Bauplatte. Mit der Calibur3 lässt sich nicht nur die Bauteilqualität steigern, sondern auch die Produktivität erhöhen, etwa durch vertikales Stapeln von Bauteilen. Statt 25 Hüftwannen pro Baujob lassen sich so bis zu 550 Stück realisieren. Das spart Werkstoff, Zeit und Kosten, und das ohne Abstriche bei Biokompatibilität oder Festigkeit.

Für jeden etwas dabei

Neben der Medizintechnik sind viele weitere Anwendungsgebiete für die Maschine denkbar. In der Herstellung von Gasturbinenteilen beispielsweise stellen hochtemperaturbeständige Werkstoffe wie Nickelbasislegierungen extreme Anforderungen an den Fertigungsprozess. Mit der Calibur3 lassen sich solche Legierungen dank gezielter Temperaturführung verzugsfrei und reproduzierbar verarbeiten – ein entscheidender Vorteil für Anwendungen, in denen Sicherheit und Langzeitstabilität zählen. 

Auch zur Untersuchung von Fragestellungen im Werkzeug- oder Formenbau bietet die neue Anlage gute Voraussetzungen. Verschleißfeste Werkstoffe oder innengekühlte Werkzeuge lassen sich nur schwer zerspanen und im Laserprozess häufig nicht prozesssicher drucken. Die Calibur3 ermöglicht durch das sinterfreie Elektronenstrahlverfahren die Verarbeitung von Hartmetallen oder hochlegierten Stählen ohne Pulververlust.

Ob Triebwerkskomponenten oder strukturrelevante Bauteile – die additive Verarbeitung von Titan oder Nickelbasislegierungen ist in der Luftfahrt zentral. Die Calibur3 erlaubt die verzugsfreie Fertigung großer, komplexer Bauteile, wie sie in Flugzeugzellen oder Raumfahrtantrieben gebraucht werden. Der große Bauraum sowie die exakte Steuerung von Temperaturprofilen sorgen dafür, dass auch dick- und dünnwandige Strukturen in einem Job gefertigt werden können – stabil, präzise und ohne Nacharbeit.