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Formen aus Stahl, Bauteile aus Titan und Stahl

Direkt erstellt im Rapid Prototyping Verfahren von Arcam mit dem Elektronenstrahl

  1. Ulf Lindhe Arcam AB
  2. Hans-Joachim Hesse RTC

Zusammenfassungen

Die Arcam Technologie setzt erstmals weltweit mit der ‚CAD to Metal®’ Methode einen Elektronenstrahl ein. Mit dieser Methode können homogene Stahlkomponenten und Formen in kürzester Zeit aus einem Metallpulver geschmolzen werden. Die in zunehmendem Maße geforderte Herstellung von Prototypen im Zielwerkstoff, wird mit dem EBM Verfahren erstmals für Stahl- und Titanwerkstoffe ermöglicht. Die Arcam-Methode setzt CAD-Datenmodelle direkt in homogene Metallmodelle um. Mit der Einbringung von konturnahen Kühlkanälen ist es nun auch machbar, Werkzeuge in hochlegierten Stählen im Rapid Prototyping Verfahren herzustellen. So erstellte Werkzeuge können die Zykluszeiten im Spritzguss- und Druckgussprozess um 30% verringern. Die Festigkeiten liegen ohne jegliche Nachbehandlung bei ca. 50 Rockwell. Jede beliebige Formgebung ist sofort in Stahl und neuerdings auch in Titan zu erstellen. Von besonderer Bedeutung ist, dass konturnahe Kühlungen in beliebiger Komplexität integriert werden. Die Arcam Technologie stellt die schnellste Produktionsmöglichkeit von Funktionsprototypen dar, welche in Festigkeit und Temperaturstabilität die gleichen Parameter wie herkömmliche gefertigte Bauteile aufweist. Es stehen Werkzeugstahl (DIN 1.2344), legierte Stähle und Titan (Ti6A14V) zur Verfügung. Die EBM Technologie setzt einen Elektronenstrahl zum Aufschmelzen der Metallpulver ein. Stahl wird z.B. mit einer Temperatur von 1700 °C schichtweise aufgetragen. Ein Verschleiß, wie man ihn von Anlagen mit Lasertechnologie kennt, tritt nicht auf. Neuinvestition in Abständen von 3000 – 4000 Betriebsstunden sind bei dieser Technologie für neue Laser nicht notwendig. Die Arcam-Technologie ist in 24 Ländern patentrechtlich geschützt. Arcam ist ein schwedisches Unternehmen, mit Sitz in Mölndal in der Nähe von Göteborg.

With the 'CAD to Metal®' method an electronic beam is used worldwide for the first time by the Arcam Technology. With this method homogeneous steel components and forms can be melted from a metallic powder in shortest time. The production of prototypes in the target material, which is increasingly demanded, is made possible for the first time by the EBM procedure for steel and titanium materials. The Arcam method converts CAD data models directly into homogeneous metal models. With the implementation of near net-shaped cooling ducts it is now possible to manufacture tools in high-alloyed steel by rapid prototyping. Tools which are manufactured by this method can reduce the cycle time for the process of injection molding and die casting by 30%. without any subsequent treatment the strength is approx. 50 Rockwell. All desired shaping can be produced immediately in steel and, since recently, also in titanium. It is of special significance that near net-shaped cooling is integrated in any desired complexity. The Arcam technology represents the fastest production possibility of functional prototypes, which have the same parameters both in firmness and stability of temperature as conventional manufactured construction units. Tool steel (DIN 1,2344) alloyed steel and titanium (Ti6A14V) are available. For melting the metallic powders an electron beam is used by the EBM technology. Steel is for example laid in layers with a temperature of 1700 °C. There is no wear like it is known from the laser technology. With this technology investments for new lasers after 3000-4000 operation hours are not necessary. The Arcam technology is protected by patent law in 24 countries. Arcam is a Swedish enterprise, located in Moelndal near Goeteborg.

Keywords

3. Das EBM-Verfahren

Die Arcam Technologie setzt erstmals weltweit mit der ‚CAD to Metal®’ Methode einen Elektronenstrahl ein. Mit dieser Methode können homogene Stahlkomponenten und Formen in kürzester Zeit aus einem Metallpulver geschmolzen werden.

Die in zunehmendem Maße geforderte Herstellung von Prototypen im Zielwerkstoff, wird mit dem EBM Verfahren erstmals für Stahl- und Titanwerkstoffe möglicht.

Die Arcam-Methode setzt CAD-Datenmodelle direkt in homogene, metallische Prototypen um. Mit der Einbringung von konturnahen Kühlkanälen ist es nun auch möglich, Werkzeuge aus hochlegierten Stählen im Rapid Prototyping Verfahren herzustellen. So erstellte Werkzeuge können die Zykluszeiten, z.b. im Druckgussprozess, um 30% verringern.

Die Anlage besteht aus dem eigentlichen RP-System sowie Handlinggeräten für die Abkühlung und Nachbearbeitung der hergestellten Modelle und Werkzeuge.

Abb.1: Links: Arcam EBM-S12; rechts: Herstellprozess

Die Festigkeiten liegen ohne jegliche Nachbehandlung bei ca. 50 Rockwell. Jede beliebige Formgebung ist sofort in Stahl und auch in Titan zu erstellen. Von besonderer Bedeutung ist, dass konturnahe Kühlungen in beliebiger Komplexität integriert werden.

Die Arcam Technologie stellt die schnellste Produktionsmöglichkeit von Funktionsprototypen dar, welche in Festigkeit und Temperaturstabilität die gleichen Parameter wie herkömmlich gefertigte Bauteile aufweist.

Es stehen Werkzeugstahl (DIN 1.2344), legierte Stähle und Titan (Ti6A14V) zur Verfügung. Die EBM-Technologie setzt einen Elektronenstrahl zum Aufschmelzen der Metallpulver ein. Stahl wird z.b. mit einer Temperatur von ca. 1.700 °C schichtweise geschmolzen.

Ein Verschleiß, wie man ihn von Anlagen mit Lasertechnologie kennt, tritt nicht auf. Da der Elektronenstrahl verschleißfrei mit Magnetismus abgelenkt wird, sind für die Steuerung keine mechanischen Systeme erforderlich. Dies begründet den sehr schnellen Aufbau der Prototypen und Werkzeuge von bis zu 10mm/Std.

Der Prozess findet in einem Hochvakuum statt, so das Fremdeinflüsse auf die Qualität der Prototypen und Werkzeuge vermieden werden können. Nach Beendigung des Prozesses und einer kurzen Abkühlzeit (bei der Verwendung von Titan wird dies durch Flutung des Bauraumes mit Helium gewährleistet) steht die Anlage schnellstmöglich für weitere Bauprozesse zur Verfügung.

Abb.2: Links: Innenraum der Anlage; rechts: Abkühleinheit

Derzeit können zwei verschiedene Stahlpulver (niedrig und hochlegierter Stahl wie 1.2344) und Titan (Ti6AI4V) verwendet werden. Weitere Materialien befinden sich derzeit in der Entwicklung oder werden in Projekten bei Kunden wie z.b. Beryllium auf ihre Verwendung in der EBM-Technologie untersucht.

Nach dem Schmelzvorgang sind die einzeln aufgebrachten Schichten von 0.05 bis 0.02mm Schichtstärke (je nach Anforderung) nicht mehr sichtbar und komplett miteinander verschmolzen.

Abb.3: Links: Stahl mit 0.5mm nach Verschmelzung; rechts: Titan mit 0.1mm nach Verschmelzung

Die Nacharbeitung der Prototypen und Werkzeugeinsätze an den Funktionsflächen kann mit typischen Systemen wie Fräsen, Schleifen, Polieren, Erodieren, Strahlen oder speziellen Verfahren wie z.b. dem „chemischen Milling“ durchgeführt werden.

Die Kühlungssysteme in Werkzeugeinsätzen werden mit Luftdruck ausgeblasen. Werkzeugeinsätze empfehlen sich insbesondere für Anwendungen im Druckguss oder je nach Anforderung im Spritzguss.

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