EBM vs. SLM: Unterschiede und Vergleich

Es gibt verschiedene 3D-Drucktechnologien für dreidimensional gedruckte Produkte. Pulverbett-3D-Drucker sind eine der vielen Druckerklassifizierungen. Pulverbett-3D-Drucker verwenden verschiedene Methoden zum Schmelzen oder Sintern des Pulvers, um ein Produkt Schicht für Schicht zu einem fertigen Teil zu drucken. 3D-Drucker benötigen für den Druck eines 3D-Produkts eine dreidimensionale Zeichnung, in der Regel eine CAD-Datei (Computer-Aided Design). Die CAD-Datei wird in einer Slicing-Software in die zahlreichen aufeinanderfolgenden Schichten umgewandelt, die gedruckt werden sollen. Der Slicer sendet diese Informationen an den 3D-Drucker, um den Druckvorgang einzuleiten. Die Wärmequelle für den Druck des Pulvers ist in der Regel ein Laser- oder Elektronenstrahl. 3D-Pulverbettdrucker sind präziser als andere Drucktechnologien und ermöglichen die Herstellung geometrisch komplexer Teile.

Electron Beam Melting (EBM) und eine ähnliche 3D-Drucktechnologie, Selective Laser Melting (SLM), sind Pulverbetttechnologien, die mit Pulvermaterialien aus Metalllegierungen drucken. Ein Unterschied besteht darin, dass EBM einen Elektronenstrahl und keinen Laser (Photonen) aussendet. EBM- und SLM-Verfahren erzeugen starke, dichte Teile aus Metallpulver. EBM druckt leitfähige Metalle und Legierungen, darunter Titan, Tantal, Edelstahl, Werkzeugstahl, Kobalt-Chrom, Kupfer und Nickellegierungen. In ähnlicher Weise wird SLM nur bei ausgewählten Metallwerkstoffen eingesetzt. SLM druckt viele ähnliche Materialien, darunter reine Metalle wie Titan, Werkzeugstahl, Kupfer, Edelstahl und Kobaltchrom. SLM druckt auch Aluminium, Aluminiumlegierungen und Edelmetalle.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein 3D-Druckverfahren und Metallpulver verwendet werden. Ein Magnetfeld lenkt den von einer Elektronenkanone erzeugten Elektronenstrahl. Das EBM-System erzeugt ein Produkt anhand einer dreidimensionalen Zeichnung. Der Elektronenstrahl nutzt einen überhitzten Wolframfaden, um in der Vakuumkammer Elektronen zu emittieren und das Material zu erhitzen. Diese Elektronen bewegen sich mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit und können Temperaturen von bis zu 2.000 °C erreichen. 

Der Elektronenstrahl schmilzt das Metallpulver, so dass Schicht für Schicht ein fertiges Objekt entsteht, bis es fertig ist. Der Druckprozess findet in einer Vakuumkammer statt, um eine Oxidation des Metallprodukts zu verhindern und den Herstellungsprozess zu unterstützen. Gelegentlich müssen die Produkte einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die inneren Spannungen im fertigen Produkt zu lösen.

Das EBM-Verfahren liefert Produkte mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften. Die Produkte sind fest und dicht, aber auch leicht. Die Produkte haben eine raue Oberfläche, erfordern möglicherweise eine zusätzliche Oberflächenbearbeitung und sind weniger genau als andere 3D-Druckverfahren. Ein Hauptvorteil der Elektronenstrahltechnologie ist die Druckgeschwindigkeit - sie kann sich an mehreren Stellen trennen, um das Pulver gleichzeitig zu erhitzen und zu drucken. Der hochenergetische Elektronenstrahl wärmt das Pulver vor dem Schmelzen vor, um den Prozess zu beschleunigen.

Und die Verunreinigungen werden während des hochintensiven Elektronenstrahlschmelzverfahrens entfernt. Mit dem EBM-3D-Druckverfahren werden vor allem Bauteile für die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik gedruckt. Produkte werden auch in der Automobil-, Verteidigungs- und petrochemischen Industrie hergestellt.

Merkmale des EBM-3D-Drucks:

• Einsatz bei Metallen mit hohen Schmelztemperaturen
• Die Temperaturen liegen bei bis zu 2.000°C
• Teile mit hoher Dichte
• Wenige Stützen erforderlich
• Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
• Wärmebehandlung ist nur selten erforderlich
• Bis zu 98 % Wiederverwertung von unverbrauchtem Pulver
• Typisch schnelle Teileverarbeitung
• Begrenzte Materialauswahl (nur leitfähige Materialien und Legierungen)
• Teure Maschinen und Materialien
• Erfordert eine Nachbearbeitung, um eine schlechte Oberflächengüte auszugleichen
• Abkühlungszeit erforderlich
• Die fertigen Teile sind nicht glatt
• Begrenzt auf kleinere Teile
• Proprietäre Technologie
• Für die Bedienung der EBM-Ausrüstung sind hochqualifizierte Techniker erforderlich.

Im Vergleich zwischen EDM und SLM bietet das EDM folgende Vorteile:

• EBM druckt schneller
• EBM kann höhere Schmelztemperaturen erzeugen

Die Nachteile von EDM gegenüber SLM sind im Folgenden aufgeführt:

• EBM kann nur bei leitfähigen Materialien eingesetzt werden
• EBM hat eine geringere Produktgenauigkeit
• EBM erfordert eine Vakuumkammer

Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) wird ein Hochleistungslaser eingesetzt, der das Metallpulver mit einem oder mehreren Lasern aufschmilzt. Bei diesem Verfahren können bis zu 12 Laser eingesetzt werden. Im Gegensatz zu anderen Lasern im 3D-Druck schmilzt SLM das Material vollständig auf, anstatt es zu sintern, d. h. zu verschmelzen, ohne dass es einen flüssigen Zustand erreicht.

Wie beim EBM-Verfahren entstehen beim SLM starke, dichte Teile mit wenig Materialabfall. Der SLM-3D-Druck wird für die Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizin- und Dentaltechnik sowie für industrielle Werkzeuge und Komponenten eingesetzt. 

Merkmale des SLM-3D-Drucks:

• Geringe Porosität
• Starke Teile
• Gute Maßhaltigkeit
• Geringer Materialabfall
• Innere Spannungen
• Möglichkeit, ganze Baugruppen zu drucken
• Raue Oberfläche

Die Vorteile des SLM im Vergleich zum Erodieren sind:

• SLM kann ganze Teile oder Baugruppen drucken und nicht nur Komponenten
• SLM hat die Möglichkeit, mit hoher Geschwindigkeit oder hoher Genauigkeit zu drucken
• SLM hat eine größere Auswahl an Materialien
• Es können mehrere Laser eingesetzt werden (bis zu 12)

Zu den Nachteilen des SLM gegenüber dem Erodieren gehören folgende:

• SLM druckt langsamer als EBM (Einzelstrahl)
• SLM-Teile können innere Spannungen aufweisen

Es gibt alternative 3D-Druckverfahren zu EBM und SLM. Dazu gehören die folgenden:

• Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) - Ähnlich wie SLM verwendet DMLS einen Faserlaser zum Schmelzen des Pulvers. DMLS hat eine höhere Genauigkeit, aber eine geringere Dichte. DMLS erfordert auch mehr Stützstrukturen.
• Directed-Energy Deposition (DED) - DED druckt ebenfalls Metalle, aber die Materialoptionen umfassen Filamente und Pulver. Mit DED können neben starken, dichten Metallen auch Polymere und Keramiken gedruckt werden. Mit DED können mehrere Materialien schnell gedruckt und größere Produkte hergestellt werden.
• Das selektive Lasersintern (SLS) ist dem SLM sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass beim SLM Kunststoff und nicht Metall gedruckt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass EDM und SLM Pulverschmelzverfahren für den 3D-Druck von Metallen sind, bei denen eine hochintensive Wärmequelle verwendet wird, um ein Metallpulver zu schmelzen und starke, dichte Produkte herzustellen. EBM kann nur leitfähige Metalle verarbeiten und erfordert eine Vakuumkammer. SLM kann mit bis zu 12 Lasern ausgestattet werden, um den Druck zu beschleunigen und ganze Baugruppen zu drucken.