Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbau von metallischen Bauteilen. Der EBM Prozess findet unter Vakuumatmosphäre statt, was vor allem für reaktive Materialien Vorteile bietet und die Gefahr der Kontamination reduziert. Die trägheitsfreie Bewegung und die hohe Leistung des Elektronenstrahls kann für das Vorheizen des Pulverbetts auf über 1000°C sowie für neue, innovative Schmelzstrategien genutzt werden. [1] Des Weiteren kann der Elektronenstrahl direkt zur Prozessüberwachung eingesetzt werden [2].

Im Gegensatz zum Laser, der die Energie nur oberflächlich einbringt, dringen die Elektronen tiefer in das Material ein. Die Eindringtiefe ist sowohl vom Material, als auch von der Beschleunigungsspannung abhängig. Durch eine höhere Beschleunigungsspannung wird die Energie tiefer im Material absorbiert (siehe Abbildung 1 links), was zu einem gleichmäßigeren, volumetrischen Aufschmelzen führt. Numerische Untersuchungen zeigen für große Beschleunigungsspannungen eine deutlich reduzierte Defektdichte, bei gleichbleibendem Energieeintrage (siehe Abbildung 1 rechts). [3]

In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Werkstoffe und Technologie der Metalle der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wird auf einer Prototypen Anlage der Firma probeam erstmals der Einfluss der Beschleunigungsspannung auf das Elektronenstrahlschmelzen über eine große Bandbreite experimentell evaluiert. Hierfür werden Würfel aus Ti-6Al-4V Pulver gebaut und auf Defekte hin untersucht. Aus diesen Ergebnissen werden Prozessfenster für Leistung und Geschwindigkeit bei 100 kV, 120 kV und 150 kV Beschleunigungsspannung erstellt und mit Literaturwerten für 60 kV verglichen. Wie simulativ vorhergesagt, kann eine Verschiebung des Prozessfensters zu geringeren Energien beobachtet werden. Der für dichte Bauteile notwendige Energieeintrag kann um 25 % bis 30 % im Vergleich zu herkömmlichen EBM Prozessen reduziert werden. Des Weiteren kann aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung auf ein Prozessgas verzichtet werden.

Referenzen
[1] C. Körner, International Material Reviews, 2016, 61:5, 251-377.
[2] C. Arnold, et al. Rapid Prototyping Journal, 2018, 24, Issue 8.
[3] A. Klassen, et al., Journal of Physics D: Applied Physics, 2014, 47, 065307 (11pp).