Was ist Powder Bed Fusion?

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Powder Bed Fusion

Powder Bed Fusion (PBF) revolutioniert die Fertigungstechnik, indem es die Produktion hochkomplexer und maßgeschneiderter Teile ermöglicht. Erfahren Sie in diesem Blogbeitrag, was PBF genau ist, welche Technologien und Terminologien diesem Verfahren angehören, Näheres zu den Vorteilen sowie zu den Branchen, in welchen sie Anwendung finden.

Powder Bed Fusion

Powder Bed Fusion (PBF) gehört zur Additiven Fertigung (3D Druck) und ermöglicht die Fertigung von 3D gedruckten Objekten nach Schichtbauprinzip, die auf Informationen einer CAD-Datei beruhen. Demnach werden die Ebenen schichtweise aus einem Pulverbett aufgebaut, bis die gewünschte Form erzeugt ist. Kennzeichnend für das PBF-Verfahren ist der Einsatz einer Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl), die präzise die Oberfläche des Pulverbettmaterials zur Erstellung der gewünschten Geometrie erhitzt.

Powder Bed Fusion Technologie

Es existieren verschiedene 3D Druck Verfahren, die auf der Powder Bed Fusion Technologie (PBF) basieren. Unterschieden werden sie hierbei, nach der eingesetzten Energiequelle, des Materials sowie der Prozessführung.

Das Selektive Lasersintern (SLS) gehört zu dem PBF-Verfahren, das polymerbasierte Pulver (z. B. Nylon, PEKK) verarbeitet und durch Sintern der Pulverpartikel mittels Lasers zu festen, schichtweise aufgebauten Bauteilen führen. Metallpulver kommen hier nicht zum Einsatz.

Metal Powder Bed Fusion Verfahren werden in zwei Kategorien unterteilt: 3D-Druck mit einem Laserstrahl (LPBF) und einem Elektronenstrahl (EPBF), die beide durch patentierte Technologien geschützt sind. Im Folgenden erfahren Sie mehr über LPBF und EPBF.

Laser Powder Bed Fusion 

Technologien wie das Selektive Laserschmelzen (SLM) oder das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS) gehören zu den Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Gruppe. Sie sind mit dem SLS-Verfahren vergleichbar, da beide einen Laser als Energiequelle verwenden.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen LPBF und SLS ist, dass bei LPBF das Metallpulver nicht gesintert, sondern vollständig geschmolzen wird. Anstelle von Polymeren werden bei LPBF metallische Werkstoffe wie Aluminium, Titan, Stähle, Kobalt-Chrom oder Inconel verarbeitet.

Diese Materialien werden während des Druckprozesses in einer Schutzatmosphäre (z. B. Argon oder Stickstoff) aufgeschmolzen und schichtweise zu einem Objekt aufgebaut. Die inerte Atmosphäre verhindert die Oxidation des Metallpulvers während des Schmelzprozesses. Im Gegensatz dazu ist eine Schutzatmosphäre bei Kunststoffen und dem SLS-Verfahren nicht erforderlich.

Electron Beam Powder Bed Fusion 

Die Electron Beam Powder Bed Fusion (EBPBF), auch bekannt als Electron Beam Melting (EBM), funktioniert ähnlich wie das LPBF-Verfahren. Anstelle eines Lasers wird jedoch ein Elektronenstrahl im Druckprozess verwendet, um das Metallpulver zu schmelzen und zu verschmelzen. Dieser Prozess findet in einer Vakuumkammer statt, um Metalloxidation, Verunreinigungen, Rauch und Abgase zu vermeiden und eine genauere Steuerung des Elektronenstrahls zu ermöglichen.

Pulverbettfusion

Powder Bed Fusion Prozess

Der wesentliche Fertigungsprozess ist sowohl bei LPBF (Laser Powder Bed Fusion) als auch bei EBPBF (Elektronenstrahl-Pulverbettfusion) ähnlich. Erfahren Sie nachfolgend mehr über die einzelnen Schritte des Powder Bed Fusion Prozesses mit Metall:

  1. 1. Zunächst wird die Baukammer mit inertem Gas gefüllt (z. B. Argon bei LPBF) oder in eine Vakuumumgebung (bei EBPBF) versetzt, um Oxidation des Metallpulvers zu verhindern und anschließend auf die optimale Bautemperatur erhitzt.
  2. 2. Eine dünne Schicht Metallpulver wird auf die Bauplattform verteilt, und ein Hochleistungslaser (bei LPBF) oder ein Elektronenstrahl (bei EBPBF) schmilzt den Querschnitt des Bauteils, wodurch die nächste Schicht gebildet wird.
  3. 3. Nach Abschluss des Scanvorgangs bewegt sich die Bauplattform um die Schichtdicke nach unten, und der Beschichter verteilt eine weitere Schicht Pulver. Der Vorgang wird wiederholt, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist.
  4. 4.  Im Gegensatz zum Selektiven Laser Sintern (SLS) sind die Bauteile beim Metall 3D Druck durch Stützstrukturen an der Bauplattform befestigt, die Verzug und Verzerrungen verhindern.
  5. 5. Nach dem Druck und dem Abkühlen auf Raumtemperatur kommt es zur abschließenden Nachbearbeitung.

Metall 3D Druck Nachbearbeitung

Nach dem Drucken, Nachbearbeitung im 3D-Metalldruck wird mit verschiedenen Methoden durchgeführt. Ziel ist es, die mechanischen Eigenschaften, die Genauigkeit, die Oberflächenqualität und das Aussehen der 3D-gedruckten Metallteile zu optimieren.

Zu den notwendigen Nachbearbeitungsschritten gehören das Entfernen des überschüssigen Pulvers und der Stützstrukturen. Eine Wärmebehandlung (thermisches Glühen) wird oft eingesetzt, um Restspannungen im Metallobjekt abzubauen und die mechanischen Eigenschaften aufzuwerten.

Das metallische Werkstück kann in einem weiteren Schritt mit CNC-Bearbeitung modifiziert werden, um beispielsweise Bohrungen und Gewinde anzufertigen. Zur Optimierung der Oberflächenqualität und Ermüdungsfestigkeit kommen Verfahren wie Sandstrahlen, Polieren oder Metallbeschichtungen zum Einsatz.

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Powder Bed Fusion Vorteile

Die Vorteile von Powder Bed Fusion (PBF) in Herstellung von Metallteilen sind besonders deutlich, wenn man sie mit den traditionellen Fertigungsmethoden, wie der subtraktiven Fertigung, vergleicht.

  • Komplexe Geometrien:Die Fertigung filigraner und komplexer Strukturen, die mit traditionellen Fertigungsmethoden nicht realisierbar sind.
  • Anpassungen:Präzise, robuste und leichte Bauteile können individuell aus einer CAD-Datei erstellt werden.
  • Effizienz und Zeitersparnis: Durch die Herstellung von Objekten in einem Stück statt aus Einzelteilen sinken Fertigungs- und Herstellkosten, und manuelle Arbeiten werden reduziert.
  • Umweltfreundlichkeit: Eine bessere Energieeffizienz, kürzere Transportwege und die Reduzierung von Rohstoffverschwendung.
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Powder Bed Fusion Anwendungen

Branchen, die eine hohe Individualisierung, Passgenauigkeit, komplexe Strukturen sowie Kosteneffizienz erfordern und Kleinserien oder Prototypen benötigen, profitieren besonders von der PBF-Technologie.

Pulverbettschmelzanwendungen: Typische Branchen sind die Medizintechnik (insbesondere die Prothetik in der Medizin- und Zahntechnik), die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie sowie die Werkzeug- und Maschinenherstellung.

Schlussfolgerung - Powder Bed Fusion

Zusammenfassend lässt sich ableiten, dass Powder Bed Fusion (PBF) eine zentrale Rolle in der modernen Fertigung darstellt.

Sie ermöglicht es, hochkomplexe und individualisierte Objekte herzustellen. Die PBF-Technologie eröffnete neue Möglichkeiten in der Produktion von Bauteilen mit komplexen Geometrien, die mit traditionellen Fertigungsmethoden nicht realisierbar wären. Hierbei werden Pulvermaterialien wie Metall oder Kunststoff mithilfe von Laser- oder Elektronenstrahlenergie präzise in eine dreidimensionale Form gemäß CAD-Daten aufgebaut.

Anwendung findet diese Additive Fertigung (PBF) insbesondere in derDental- und Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und im Maschinenbau. Sie bietet gerade für diese Branchen signifikante Vorteile in Hinblick auf Designfreiheit, Kostenreduktion und Fertigungseffizienz.

FAQ: Powder Bed Fusion

Powder Bed Fusion (PBF) ist ein Verfahren der additiven Fertigung (3D-Druck), bei dem Objekte auf der Grundlage von CAD-Daten Schicht für Schicht aus einem Pulverbett aufgebaut werden. Eine Energiequelle, z. B. ein Laser oder ein Elektronenstrahl, erhitzt das Pulverbett selektiv, um die gewünschte Geometrie zu erzeugen.

Pulverbettfusion (PBF) ist ein weit gefasster Begriff für verschiedene 3D-Druckverfahren, bei denen Objekte Schicht für Schicht aus einem Pulverbett hergestellt werden. Selektives Lasersintern (SLS) ist eines der PBF-Verfahren und verarbeitet Pulver auf Polymerbasis wie Nylon oder PEKK. Die Pulverpartikel werden mit Hilfe eines Lasers zu festen Bauteilen zusammengeschmolzen. Metallpulver werden beim SLS jedoch nicht verwendet.

Im Gegensatz dazu arbeiten Metallpulverbettschmelzverfahren wie Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Electron Beam Powder Bed Fusion (EBPBF) mit Metallpulvern. Während LPBF das Metallpulver vollständig aufschmilzt und in einer inerten Schutzatmosphäre verarbeitet, benötigt SLS keine Schutzatmosphäre und verarbeitet ausschließlich Kunststoffe.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SLS eine von mehreren PBF-Technologien ist, die sich jedoch in Bezug auf Material und Prozess von metallbasierten Verfahren wie LPBF oder EBPBF unterscheidet.

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ist ein Begriff für laserbasierte 3D-Drucktechnologien, die die Herstellung von hochfesten, dichten Metallteilen mit komplexen Geometrien ermöglichen. Beispiele für solche Technologien sind das Selektive Laserschmelzen (SLM) und das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS).

Der wesentliche Unterschied zwischen Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Electron Beam Powder Bed Fusion (EBPBF) liegt in der verwendeten Energiequelle und der erforderlichen Druckumgebung.

LPBF verwendet einen Laser als Energiequelle, der eine schützende, inerte Atmosphäre (z. B. Argon oder Stickstoff) benötigt, um das Metallmaterial vor Oxidation zu schützen.

EBPBF verwendet einen Elektronenstrahl anstelle eines Lasers und findet in einer Vakuumumgebung statt, um metallische Oxidation und Verunreinigung zu verhindern und gleichzeitig eine präzisere Steuerung des Elektronenstrahls zu ermöglichen.

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Autor: Markus Wolf

Leidenschaftlich für den 3D-Druck und gleichzeitig
CTO und Mitbegründer von 2onelab.

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