Electron Beam Melting (EBM)

1. Einleitung: Drucken im Vakuum

Das Electron Beam Melting (EBM) oder Elektronenstrahlschmelzen ist eines der faszinierendsten pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren für Metalle. Anders als beim weit verbreiteten SLM/PBF-Prozess, bei dem ein Laserstrahl das Pulver schmilzt, nutzt EBM einen hochenergetischen Elektronenstrahl als Wärmequelle. Diese Technologie wurde maßgeblich von der schwedischen Firma Arcam (heute GE Additive) entwickelt und kommerzialisiert.

Da Elektronenstrahlen von Luftmolekülen abgelenkt würden, muss der gesamte EBM-Prozess in einem extremen Hochvakuum stattfinden. Diese Eigenschaft verleiht dem Verfahren einzigartige metallurgische Vorteile.

2. Wie funktioniert EBM?

Die Funktionsweise unterscheidet sich elementar vom Laser-Prozess:

• Der Strahl: Ein Wolfram-Filament emittiert Elektronen, die durch Magnetfelder auf über halbe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Magnetische Linsen fokussieren und lenken den Strahl. Im Gegensatz zu Laserspiegeln (Galvanometer), die eine physische Trägheit besitzen, können Magnetfelder den Elektronenstrahl verzögerungsfrei bewegen. Dadurch lassen sich mehrere Schmelzbäder gleichzeitig aufrechterhalten (Multi-Beam-Effekt).
• Das Pulver: EBM nutzt oft etwas gröberes Pulver (45–105 µm) als SLM, was die Pulverkosten senkt und das Handling sicherer macht. Das Pulver wird durch den Elektronenstrahl vor jedem Schichtaufbau leicht angesintert (Pre-Heating), damit sich die Pulverpartikel beim eigentlichen Schmelzprozess nicht durch elektrische Aufladung abstoßen (der gefürchtete "Smoke"-Effekt).

3. Titanlegierungen und Titanaluminide

EBM ist der unangefochtene Champion, wenn es um die Verarbeitung hochreaktiver und spröder Materialien geht. Das Hochvakuum sorgt für eine absolute Sauerstofffreiheit, die selbst durch bestes Argon-Schutzgas bei Laser-Verfahren kaum erreicht wird.

• Ti6Al4V (Titan Grade 5): EBM-gedrucktes Titan zeichnet sich durch ein hervorragendes, spannungsarmes Mikrogefüge aus und wird massenhaft für orthopädische Implantate eingesetzt.
• Titanaluminide (TiAl): Diese intermetallischen Verbindungen sind extrem leicht und hitzebeständig (perfekt für Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken), aber konventionell bei Raumtemperatur so spröde wie Glas. Nur durch die extrem hohen Bauraumtemperaturen im EBM-Prozess (oft über 1.050 °C) lassen sich Titanaluminide rissfrei drucken.

4. Anwendungen in Medizintechnik und Aerospace

Die Hauptabnehmer der EBM-Technologie sind Branchen mit den höchsten Qualitäts- und Zertifizierungsanforderungen.

• Implantate: Hüft- und Kniegelenke werden zehntausendfach per EBM gedruckt. Die hohe Bautemperatur eliminiert Eigenspannungen, und das Vakuum sorgt für absolute Reinheit. Durch EBM lassen sich Trabekelstrukturen (Gitterstrukturen) drucken, die das Einwachsen von Knochenmasse extrem begünstigen.
• Turbinenschaufeln: Die GE9X-Triebwerke (Boeing 777X) nutzen EBM-gedruckte Turbinenschaufeln aus Titanaluminiden, was das Gewicht des Triebwerks erheblich reduziert.

5. Herausforderungen und Fazit

EBM hat auch Nachteile: Die Oberflächenrauheit (Ra-Wert) ist durch das gröbere Pulver und das "Ansintern" des Pulverbetts deutlich schlechter als beim Laser-PBF. Das bedeutet, dass Passungen und Funktionsflächen fast immer stark zerspanend nachbearbeitet werden müssen. Zudem ist das Entpulvern aufwendig, da das nicht geschmolzene Pulver im Bauraum zu einem porösen Kuchen verbacken ist (der jedoch gut recycelt werden kann).

Trotz dieser Herausforderungen bleibt das Elektronenstrahlschmelzen die erste Wahl, wenn Eigenspannungsfreiheit, Vakuum-Reinheit und die Verarbeitung spröder Hochleistungswerkstoffe gefordert sind.