Elektronenstrahlsinteranlage
Final Report Abstract
Das Elektronenstrahlschmelzen (auch Elektronenstrahlsintern) zählt zu den additiven Fertigungsverfahren und ermöglicht die werkzeuglose Fertigung von metallischen Prototypen und Endprodukten direkt aus CAD-Daten. Es eignet sich somit für den Prototypenbau sowie für die Einzel- und Kleinserienfertigung meist individualisierter Produkte. Beim Elektronenstrahlschmelzen werden Bereiche an der Oberfläche eines Pulverbetts der Bauteilkontur entsprechend mit einem Elektronenstrahl selektiv aufgeschmolzen. Das Bauteil entsteht iterativ durch Auftragen einer neuen Pulverschicht und erneutem Aufschmelzen. Die durchgeführten wissenschaftlichen Untersuchungen konzentrierten sich u.a. auf die Anwendung des Elektronenstrahlschmelzens im Bereich der Medizintechnik. So wurde ein neuer Implantat-Typ für die endoprothetische Versorgung nach Revision und bei Tumoren am Becken entwickelt. Ein weiterer Schwerpunkt war die Anpassung der mechanischen Eigenschaften mittels Elektronenstrahlschmelzen hergestellter Titankörper durch Variation der eingebrachten Energie des Elektronenstrahls. Dadurch können poröse Strukturen im Material erzeugt und die mechanischen Eigenschaften eines Implantats an die des Knochens angepasst werden. Zudem wurden Scaffolds für die Regenerative Medizin entwickelt, gebaut und charakterisiert. Weitere Arbeiten beschäftigten sich mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von Leichtbauteilen, die sich u.a. an der Struktur von atomare Kohlenstoffröhrchen orientieren, sowie mit der Untersuchung der Ermüdungsfestigkeit mittels Elektronenstrahlschmelzen hergestellter Teile. Im Hauptfokus der Forschungsarbeiten lag die Entwicklung eines Elektronenstrahlschmelzprozesses zur Herstellung metallischer Gläser (bulk metallic glasses – BMG). Durch das Fehlen einer herkömmlichen kristallinen Struktur weisen metallische Gläser eine hohen Festigkeit, hohe Elastizität sowie gute Korrosionsbeständigkeit auf. Bislang können nur kleine Teile aus metallischen Gläsern gefertigt werden, da bei der Herstellung eine ausreichend hohe Abkühlrate zum Einfrieren der Schmelze und der Entstehung einer amorphen Phase erforderlich ist. Das Elektronenstrahlschmelzen besitzt das Potential, die bestehenden Grenzen zu überwinden. Aufgrund der kleinen Einwirkzone des Elektronenstrahls (Wärmeeinflusszone) und der hohen Ablenkgeschwindigkeit kann durch aufeinanderfolgendes Aufschmelzen und Abkühlen des Metallpulvers eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit erreicht werden, um die gewünschte amorphe Struktur zu erhalten. Ein Metallpulver der Legierung Zr70Cu24Al4Nb2 bildet die Grundlage für die Forschungsarbeiten. Ein wesentlicher Kern der Entwicklungsarbeit ist Identifizierung geeigneter Prozessparameter des Elektronenstrahlschmelzverfahrens (z.B. Energie und Verfahrgeschwindigkeit des Elektronenstrahls, Dicke der Materialschicht, Prozesstemperatur) und die Charakterisierung der Prozessergebnisse hinsichtlich Werkstoffgefüge und Eigenschaften. Im Rahmen einer Parameterstudie konnten Proben mit amorphen Bereichen hergestellt werden. Die Optimierung der Prozessparameter ist Gegenstand laufender Arbeiten und geplanter Projekte.
Publications
- Biomechanical behavior of bone scaffolds made of additive manufactured tricalciumphosphate and titanium under different loading conditions. Journal of Applied Biomaterials and Functional Materials, 3 (2013), 159 - 166
Wieding, J.; Fritsche, A.; Heinl, P.; Koerner, C.; Cornelsen, M.; Seitz, H.; Mittelmeier, W.; Bader, R.
- Cellular Ti6Al4V with carbon nanotube-like structures fabricated by selective electron beam melting. Rapid Prototyping Journal, 20 (2014), 541-550
Quan, Y.; Drescher, P.; Zhang, F.; Burkel, E.; Seitz, H.
(See online at https://doi.org/10.1108/RPJ-05-2013-0050) - Investigation of powder removal of net-structured titanium parts made from electron beam melting. IJRAPIDM, 81-89 (2014), Vol. 4 No. 2/3/4
Drescher, P.; Reimann, T.; Seitz, H.
(See online at https://doi.org/10.1504/IJRAPIDM.2014.066007)
